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Sensor capacitivo com o MSP430 (MIC033)

Os sensores capacitivos, pelas suas características de desempenho, confiabilidade e baixo custo, estão sendo cada vez mais usados em aplicativos de baixo custo. No entanto, utilizar um sensor capacitivo com um microcontrolador é um desafio para o qual muitos projetistas não estão preparados. A Texas Instruments (www.ti.com), em seu Application Report SLAA363A de autoria de Zack Albus descreve de maneira bastante detalhada como desenvolver um sensor capacitivo para o MSP430, MCU de ultrabaixo consumo. Nesse artigo, procuramos resumir o que o autor descreve nesse artigo, dando as linhas gerais que possibilitem ao nosso leitor avaliar os procedimentos e, se realmente eles lhe interessar, poderá baixar a documentação completa em formato PDF no site da Texas Instruments.

Os sensores capacitivos operam a partir da variação da capacitância que ocorre quando tocamos numa base contendo dois eletrodos isolados, conforme mostra a figura 1.

 

O sensor capacitivo.
O sensor capacitivo.

 

Por não possuírem partes móveis ou contactos, eles consistem numa excelente alternativa para microswitches e botões, tanto para controles individuais de funções como em teclados.

Conforme podemos ver, as regiões cobreadas, a placa de circuito impresso e a máscara de solda formam um capacitor. A capacitância desse capacitor é fixa, dada pelas dimensões das armaduras e dielétrico, além das características do dielétrico que é a placa de circuito impresso.

Quando colocamos ou aproximamos o dedo do sensor, capacitância desse capacitor muda. Essa variação pode ser detectada e utilizada para controlar um circuito.

A capacitância típica do sensor nas aplicações práticas é da ordem de 10 pF (para um sensor dimensionado para ser acionado por um dedo. Nesse tipo de sensor, a separação entre as armaduras (gap) recomendada é de 0,5 mm e a espessura da placa (dielétrico) de 1 mm a 1,5 mm.

Um ponto importante no projeto do sensor é garantir que ele não capte interferências e ruídos externos ou não sofram a ação de outros elementos que possam afetar seu funcionamento como a umidade ou a presença de contaminantes.

Cálculos sobre o dimensionamento do sensor, para quem deseja desenvolver um projeto mais elaborado ou com características diferentes podem ser obtidos na própria documentação da Texas Instruments.

Lembramos apenas que o sensor deve ser projetado para produzir a maior variação possível de capacitância ao toque dos dedos. Na figura 2 damos um exemplo de sensor sugerido pela Texas para quatro botões.

 

Sensor de 4 botões.
Sensor de 4 botões.

 

Nessa figura o vermelho corresponde à pare superior e o violeta à parte inferior do sensor.

 

Usando o MSP430 para medir a capacitância

Uma vez que sabemos que a capacitância do sensor varia quando tocamos com os dedos é preciso agora ter um meio de transferir essa informação que é tipicamente analógica, para um microcontrolador.

A tecnologia usada tem por base a mudança de freqüência que ocorre quando tocamos no sensor, onde o sensor faz parte do circuito que determina essa freqüência. O que se faz então é elaborar um oscilador de relaxação onde o sensor capacitivo é o elemento de sintonia, conforme mostra o circuito básico da figura 3,

 

Sensor capacitivo ao MSP430.
Sensor capacitivo ao MSP430.

 

A variação da freqüência de saída desse oscilador pode então ser medida pelo timer interno do MSP430. O aumento da capacitância que ocorre quando tocamos no sensor, diminui a freqüência do oscilador e essa redução pode ser medida pelo timer interno.

O que se faz então é monitorar os ciclos de oscilação do oscilador comparando-os com um valor pré-fixado pelo software que corresponde ao sensor sem o toque dos dedos. Quando ocorre o toque, a freqüência diminui e com isso o número de ciclos contados.

O valor contado é então comparado com o valor de referência, e sendo menor faz com que seja gerado um sinal de controle para a tecla correspondente.

Na aplicação prática, a freq6uência selecionada para o oscilador é da ordem de 600 kHz, casando com os valores em torno de 10 pF obtidos para os sensores comuns.

Para um sistema multisensor, a configuração básica usada é a mostrada na figura 4.

 

Sistema multisensor.
Sistema multisensor.

 

O que se faz é empregar o sistema de multiplexação acoplado ao comparador de modo que a leitura dos sensores possa ser feita seqüencialmente. Para cada sensor são usados resistores de 100k ? de referência.

Uma outra maneira de se fazer o monitoramento dos sensores para se obter a leitura da variação da capacitância é mostrada na figura 5.

 

Fazendo a varredura.
Fazendo a varredura.

 

Nesse caso o que se faz é medir o tempo de carga e descarga de um capacitor ligado em paralelo com o sensor. Os pinos de porta do MSP430 são usados para carregar e descarregar o sensor através do timer interno.

Com uma resistência externa fixa pode-se então associar o tempo de carga e descarga diretamente á capacitância do sensor, obtendo-se então os mesmos resultados para o monitoramento de um eventual toque.

Na implementação do software o que se faz é determinar uma margem de segurança ou faixa morta dentro da qual o microcontrolador não toma decisões. Assim, para as contagem abaixo de certo de valor o sensor é considerado sem toque e para contagens acima de certo valor, considera-se o toque.

Os valores intermediários são desconsiderados, conforme mostra o gráfico da figura 6.

 

Considerando apenas o valor correto.
Considerando apenas o valor correto.

 

Na figura 7 mostramos como implementar um sistema multi-sensores aproveitando-se os recursos do GPIO habilitado por interrupções e assim fazendo a varredura do teclado.

 

Implementando um sistema multisensores.
Implementando um sistema multisensores.

 

Para esse tipo de configuração o DCO interno é usado e o timer será sincronizado por freqüências ate 8 MHz ou 16 MHz, dependendo do MSP430 usado. Esse método tem a vantagem de rejeitar melhor os ruídos de 60 Hz e 50 Hz da rede de energia. O resistor típico usado nessa aplicações tem um valor de 5,1 M?.

Informações sobre o software usado podem ser obtidas na documentação original da Texas Instruments.

 

Conclusão

A possibilidade de se usar sensores capacitivos em aplicativos de baixo custo ou onde sensores mecânicos comuns possam consistir em problemas, é bastante atraente.

No entanto, a implementação de tais sensores em projetos que fazem uso de microcontroladores apresenta alguns problemas que exigem cuidados especiais tanto de hardware como software, Nesse artigo demos uma breve descrição de como isso pode ser feito de forma segura com base no MSP430 da Texas Instruments, uma solução de baixo custo e consumo extremamente baixo.

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