אלקטרוניקה ומחשבים – יצחק, ברקת ושוהם כהן אתר מגמת אלקטרוניקה ומחשבים
חיישן מגע קיבולי (Capacitive Touch Sensor) – מדריך מקיף ומעמיק
תוכן עניינים
מבוא
בעולם האלקטרוניקה המודרני, חיישן המגע הקיבולי מייצג את אחת הטכנולוגיות המרתקות והשימושיות ביותר. חיישן מגע קיבולי, מדמה לנו את חוש המגע האנושי באמצעות זיהוי שינויים בשדה החשמלי, ומאפשר לנו יצירת פרויקטים שמשלבים טאץ’.
בניגוד ללחצנים מכניים מסורתיים, המבוססים על מגע פיזי וחלקים נעים, חיישן המגע הקיבולי פועל ללא חלקים נעים כלל. הוא מזהה את המגע באמצעות שינויים מזעריים בשדה החשמלי סביבו – אותו עיקרון שמפעיל את מסכי הטלפונים החכמים שלנו.
למה דווקא חיישן מגע קיבולי?
1. אמינות גבוהה: ללא חלקים נעים, אין בלאי מכני.
2. עיצוב נקי: ניתן להתקין מתחת למשטחים שונים כמו זכוכית או פלסטיק.
3. גמישות בעיצוב: אפשר ליצור משטחי מגע בצורות וגדלים שונים.
4. תגובה מהירה: זיהוי מיידי של מגע.
5. עמידות: מתאים לסביבות מאתגרות ושימוש אינטנסיבי.
עקרון הפעולה המעמיק
החיישן פועל על בסיס תופעת הקיבוליות החשמלית. כאשר מספקים מתח לחיישן, נוצר שדה חשמלי סביב אזור המגע. גוף האדם, שמכיל אחוז גבוה של מים ואלקטרוליטים, מתפקד כמוליך חשמלי. כאשר אצבע מתקרבת לחיישן:
א. נוצר קבל בין אזור המגע לגוף האדם.
ב. הקיבוליות הכללית של המערכת משתנה.
ג. המעגל האלקטרוני מזהה את השינוי.
ד. מתבצעת המרה לאות דיגיטלי (HIGH – 1 / LOW -0).
מפרט טכני מפורט
נתונים חשמליים
טווח מתח הפעלה: 2.7V עד 5.5V DC (לרוב מחברים ל5V).
צריכת זרם טיפוסית:
– מצב פעיל: 10-15mA
– מצב המתנה: פחות מ-10μA
מתח יציאה:
– מצב גבוה (HIGH) – ‘1’ לוגי – 5V
– מצב נמוך (LOW) – ‘0’ לוגי – 0V
מאפייני ביצועים
– זמן תגובה: פחות מ-100 מילישניות (100ms).
– רגישות: מזהה מגע דרך משטחים בעובי עד 3 מ”מ.
– טווח טמפרטורת עבודה: 20°C- עד 70°C.
– אורך חיים: מעל מיליון מחזורי מגע.
חיבורים ואופן השימוש
פיני החיבור
החיישן כולל שלושה פינים בסיסיים:
1. VCC – חיבור למתח חיובי (3.3V או 5V).
2. GND – חיבור להארקה (Ground).
3. OUT – יציאה דיגיטלית לחיבור למיקרו-בקר.
חיבור לארדואינו
חיבור החיישן לארדואינו הוא פשוט:
VCC → חיבור ל-5V או 3.3V בארדואינו
GND → חיבור ל-GND בארדואינו
OUT → חיבור לכל פין דיגיטלי (בדוגמה נשתמש בפין 8)
תכנות החיישן
קוד בסיסי לדוגמה
// הגדרת משתנה קבוע בשם touchPin עם הערך 8 - זה הפין שאליו מחובר חיישן המגע
const int touchPin = 8;
// פונקציית הגדרות - רצה פעם אחת בתחילת התוכנית
void setup()
{
// מגדיר את הפין של החיישן כקלט - כי אנחנו רוצים לקרוא ממנו מידע
pinMode(touchPin, INPUT);
// מאתחל את התקשורת הטורית במהירות 9600 בוד - כדי שנוכל להציג הודעות במוניטור הטורי
Serial.begin(9600);
}
// פונקציה ראשית שרצה שוב ושוב ברצף
void loop()
{
// קורא את הערך מחיישן המגע (0 או 1) ושומר אותו במשתנה touchValue
int touchValue = digitalRead(touchPin);
// בודק אם התקבל הערך 1 (כלומר זוהה מגע)
if (touchValue == 1)
{
// אם כן - מדפיס הודעה למוניטור הטורי
Serial.println("זוהה מגע!");
}
// משהה את התוכנית ל-100 מילישניות כדי למנוע קריאות חוזרות מהירות מדי
delay(100);
}
שימושים ויישומים מעשיים
יישומים נפוצים
1. בקרת תאורה:
– מתגי מגע להדלקה וכיבוי.
– בקרת עוצמת תאורה.
– מערכות תאורה חכמות.
2. מערכות אבטחה:
– לחצני מצוקה
– מערכות בקרת כניסה
– גלאי נוכחות
פתרון בעיות נפוצות
1. רגישות יתר: הגדלת ההשהיה בקוד.
2. רגישות חסר: בדיקת חיבורי החיישן והגדלת שטח המגע.
3. קריאות שגויות: בדיקת איכות החיבורים והוספת קבל סינון.
10 פרויקטים מעשיים עם חיישן מגע קיבולי
1. מנורת לילה חכמה: חיישן המגע מפעיל ומכבה נורת LED, עם אפשרות לשינוי עוצמת האור באמצעות משך המגע. מעבר מהיר בין מצבי תאורה שונים.
2. מקלדת מוזיקלית: שימוש במספר חיישני מגע ליצירת מקלדת פשוטה שמפיקה צלילים שונים בכל נגיעה. אפשר להוסיף מודל MP3 להשמעת הצלילים.
3. ערכת אזעקה נסתרת: התקנת החיישן מאחורי משטח (כמו עץ או פלסטיק) ליצירת אזור מוגן. כשמישהו נוגע באזור, מופעלת התראה.
4. בקר משחקים פשוט: יצירת בקר משחקים בסיסי עם מספר חיישני מגע המדמים כפתורי שליטה למשחקי מחשב פשוטים.
5. פנל בקרה לחדר חכם: מערכת בקרה פשוטה עם מספר חיישנים לשליטה במכשירים שונים בחדר (מאוורר, אור, מוזיקה).
6. משחק זיכרון LED: משחק פשוט עם מספר נורות LED וחיישני מגע, שבו השחקן צריך לחזור על רצף אורות באמצעות נגיעות.
7. מד מים חכם לצמחים: שילוב החיישן עם חיישן לחות לאדמה – נגיעה בחיישן מציגה את מצב הלחות של הצמח.
