Andrea Angelotti
Pulsante capacitivo ultrapiatto
Tutorials -
Mercoledì 23 Febbraio 2011 19:09
Scritto da Andrea Angelotti

 

Pulsante capacitivo ultrapiatto.
  1. Introduzione.
  2. Pulsante vs interruttore.
  3. Capacitivo vs resistivo.
  4. Pulsante capacitivo ultrapiatto.
  5. Esempi di utilizzi.
  6. Improvements.

 

 

1. Introduzione.
In questo tutorial ci apprestiamo a realizzare un pulsante capacitivo ultrapiatto. << Impossibile! >>, direte voi? << Costosissimo >> ?? Sorprendentemente no!
La sua realizzazione non solo sarà veramente economica, ma anche estremamente facile.
Prima di iniziare a costruire il nostro pulsante sarebbe bene approfondire alcuni concetti base, e che potranno esserci d'aiuto anche per future applicazioni.
Se invece sapete già tutto sugli argomenti dei prossimi due capitoli, o semplicemente siete impazienti di realizzare il pulsante, potete saltare al capitolo 4.

 

2. Pulsante vs interruttore.
Per approfondire i concetti che ci serviranno per questo progetto, e magari in futuro per altri, si parte da una domanda: cos'è un pulsante?
Questa domanda molto banale racchiude in se molti concetti basilari che sarebbe bene tenere a mente.
Infatti capita sempre troppo spesso di sentire parlare persone che pur trattando argomenti di elettronica o elettrotecnica non conosco concetti che dovrebbero essere essenziali e basilari, come la differenza tra pulsante e interruttore.
Ma torniamo a noi.
Un pulsante è un azionamento meccanico o elettronico che chiude (o apre) un circuito finchè noi agiamo su di esso, tornando nella sua posizione normale appena smettiamo.
Questa semplice frase, in cui le parole sono tutt'altro che casuali, racchiude due concetti molto importanti: il fatto che un pulsante possa essere aperto o chiuso nella sua posizione normale, e l'introduzione del concetto di normalità di un azionamento.
Quest'ultimo termine indica lo stato stabile del sistema, in questo caso un azionamento, in cui esso rimane quando niente agisce su di lui.
Per quanto riguarda la prima affermazione invece, possiamo specificare meglio dicendo che esistono essenzialmente due tipi di pulsanti:
  • normalmente aperti,
  • normalmente chiusi.
Banalmente, deducendo dalle spiegazioni precedenti, possiamo carire che "normalmente aperto" vuole dire che il pulsante nella sua posizione di riposo, cioè nella sua posizione stabile, lascia il circuito aperto, mentre "normalmente chiuso", è esattamente il contrario, nella sua posizione stabile il pulsante tiene il circuito chiuso.
Il termine "stabile" è altrettando importante, infatti usando degli opportuni prefissi si può indicare brevemente il comportamento di un azionamento.
Nel caso del pulsante esso avrà un comportamento "monostabile", cioè con una sola posizione di stabilità. Proprio perchè o stiamo parlando di un pulsante normalmente aperto oppure di uno normalmente chiuso, ma comunque con una sola posizione stabile, aperto o chiuso appunto.
Per quanto riguarda l'interruttore invece partiamo dalla fine del discorso per il pulsante.
Un interruttore è un azionamento con comportamento "bistabile", cioè con due posizioni di stabilità: aperto e chiuso.
In questo caso le due condizioni (circuito aperto e circuito chiuso) sono entrambe stabili, perchè azionando l'interruttore attivo uno stato, per esempio chiudo il circuito, che una volta rilasciato manterrà stabilmente; spostandolo nell'altra posizione, riferendoci al caso appena fatto sarà quella di circuito aperto, e poi rilasciandolo nuovamente, l'interruttore manterrà anche quella nuova posizione in cui lo abbiamo portato.
Quindi, sostanzialmente sia un pulsante che un interruttore sono azionamenti che aprono o chiudono un circuito, ma il primo ha un solo stato stabile, mentre il secondo ne ha due, che però può assumere singolarmente.
Come potrete vedere in altri tutorial o cercando su internet ci sono molti altri azionamenti che si comportano in maniera monostabile o bistabile, come per esempio i relè o i transistor o i componenti di base delle memorie (flip-flop).

 

3. Capacitivo vs resistivo.
Ora ci apprestiamo a chiarire alcuni termini che possiamo sentire quotidianamante ormai, sopratutto nel mondo degli smartphone o dei tablet, e che saranno utili per capire appieno i limiti e le potenzialità del pulsante capacitivo che dovremo realizzare.
Uno schermo capacitivo, ma potremmo espandere il concetto a qualunque altro apparecchio che si definisca "capacitivo", non è altro che un misuratore di capacità dielettrica di una superficie.
Senza entrare troppo nei dettagli, possiamo immaginare i nostri schermi capacitivi come una di quelle sfere di vetro con dentro "i fulmini"; appoggiando un dito sulla superficie della sfera i fulmini vengono verso di noi per colpire il nostro dito, come se si creasse un flusso tra la sfera di metallo al centro e il nostro corpo.
Per quanto il concetto fisico alla base sia differente aiuta a farci capire che quando tocchiamo uno schermo capacitivo si crea un flusso di cariche che comincia a scorrere, attraversandoci, dallo schermo verso terra.
Questo flusso crea uno squilibrio nella distribuzione della carica sulla superficie dello schermo, questa variazione di carica, cioè di capacità, viene letta da dei condensatori, che capiscono, in base all'entità della variazione sull'asse verticale e quella orizzontale, la posizione del dito sullo schermo.
Un apparecchio capacitivo, per i motivi costruttivi appena descritti, presenta alcune particolarità interessanti, che possono essere svantaggi o vantaggi, a seconda di come vogliamo impiegarlo.
Per esempio:
  • viene azionato solo da oggetti conduttori e che abbiano un riferimento a terra.
  • Non è necessario toccare l'apparecchio per azionarlo, ma a seconda della sua sensibilità può essere azionato anche ad una certa distanza (finchè è possibile che qualche carica superficiale si "stacchi" e fluisca a terra tramite l'oggetto conduttore).
  • Dato che la quantità di variazione di carica rilevabile è davvero piccola, anche con scarpe isolanti è possibile usare l'apparecchio, dato che una piccola quantità di carica passa comunque da un corpo a potenziale più alto ad uno con potenziale anche leggermente più basso (il nostro corpo).
  • A seconda della sensibilità dell'apparecchio, e quindi della capacità di sentire ad una certa distanza, lo si può coprire con diversi tipi di materiali (per esempio verniciandolo) senza inficiare la sua usabilità.
Come vedremo dopo, molte di queste caratteristiche sono vantaggi che renderanno il nostro pulsante capacitivo davvero interessante per gli usi più diversi.
Per concludere questa lunga, ma utile, introduzione non ci resta che affrontare anche l'antagonista degli schermi capacitivi, lo schermo resistivo.
Uno schermo resistivo è formato da due superfici conduttive, tenute a distanza tra loro.
Quando tocchiamo una delle due superfici con un oggetto, essa si deforma leggermente fino a toccare l'altra, chiudendo un circuito, e creando un partitore di tensione (ad altri tutorial il compito di spiegare cosa sia); misurando la tensione ai capi di questo partitore è possibile capire a che distanza dal bordo è avvenuto il contatto tra le due pellicole.
Se questa rilevazione viene fatta sia sull'asse orizzontale che sull'asse verticale è possibile individuare la posizione esatta dell'oggetto che ha toccato lo schermo.
Anche per quanto riguarda gli schermi resistivi abbiamo diverse caratteristiche peculiari:
  • lo schermo può essere azionato da qualsiasi oggetto.
  • Un oggetto per azionare lo schermo deve premere su di esso, non basta sfiorarlo e non funziona a distanza.
  • La precisione e la sensibilità nella rilevazione della posizione sono molto superiori rispetto ad uno schermo capacitivo.
  • La struttura dello schermo, fatto con due pellicole che si devono flettere, lo rendono più suscettibile all'usura e al tempo.
Finalmente, con questi ultimi due concetti possiamo veramente arrivare al nocciolo del nostro tutorial, la realizzazione del pulsante capacitivo ultrapiatto.

 

4. Pulsante capacitivo ultrapiatto.
Innanzitutto elenchiamo i materiali che ci serviranno:
  • il nostro fidato Arduino (con le librerie CapSense, di cui parleremo più avanti),
  • una resistenza bella grande (da 1M ohm a 50M, a seconda della sensibilità che vorremo dare al pulsante),
  • un foglio di alluminio (la carta alluminio da cucina andrà benissimo),
  • qualche filo.
Nient'altro, la lista della spesa è finita qui.
La realizzazione è altrettanto semplice. Basta dare un occhio all'immagine qui sotto per capire come realizzarlo.

 

Circuito del pulsante capacitivo

 

C'è una resistenza (nell'esempio è stata usata da 1M Ohm) tra due piedini (da notare che sono stati usati i piedini analogici in modalità digitale, ma solo per un'esigenza di disposizioni, dato che i piedini devono essere digitali), e da uno di essi (il piedino del sensore vero e proprio) parte un filo che è attaccato ad un foglietto di carta alluminio.
Più grande si sceglie la resistenza, maggiore sarà la distanza di sensibilità del nostro sensore; con resistenze dell'ordine dei 10/20M Ohm basta tenere la mano a 7-8 cm perchè sia rilevata.
Nel mio caso ho scelto una resistenza da 1M Ohm perchè volevo che la mano fosse rilevata ad una bassissima distanza e che funzionasse come un pulsante di contatto.. e poi non avevo resistenze più grosse.. :)
Tutto il resto che vedete nella foto e nel video è folklore aggiunto per mostrarne un'applicazione pratica! ;)
C'è una led bar (in cui funzionano solo i primi 4 led) che indica la vicinanza percepita dal sensore, ed un relè che si attiva quando il "pulsante" viene effettivamente premuto (potete sentire il "clack" del relè in sottofondo nel video).
Per completare la ricetta dobbiamo scaricare le librerie CapSense da quied estrarle nella cartella "libraries" (se non c'è bisogna crearla) nella cartella di default dove salviamo i nostri sketch di Arduino (se non abbiamo modificato nulla dovrebbe essere in Documenti\Arduino).

 

Al link sotto trovate il video del suo funzionamento.

 

Ed ecco immancabile il codice che fa funzionare il nostro bellissimo pulsante capacitivo.

 

 

/*
* Author: Saki-Kawa
*/
#include "CapSense.h"
CapSense cs_19_15 = CapSense(19,15); // Pin19 (Analog5): Riferimento, Pin15 (Analog1): Sensore.
void setup() {
// Pin per la ledbar
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(4, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
// Pin per il relè (bobina da 5V)
pinMode(7, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
long tot = cs_19_15.capSense(30);
Serial.print(tot);
Serial.println("\t");
if(tot < 1000){
digitalWrite(3, LOW);
digitalWrite(4, LOW);
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(7, LOW);
digitalWrite(2, HIGH);
}
if(tot > 1000 && tot < 2000){
digitalWrite(4, LOW);
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(7, LOW);
digitalWrite(2, HIGH);
delay(50);
digitalWrite(3, HIGH);
}
if(tot > 2000 && tot < 3000){
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(7, LOW);
digitalWrite(2, HIGH);
delay(50);
digitalWrite(3, HIGH);
delay(50);
digitalWrite(4, HIGH);
}
if(tot > 3000){
digitalWrite(2, HIGH);
delay(50);
digitalWrite(3, HIGH);
delay(50);
digitalWrite(4, HIGH);
delay(50);
digitalWrite(5, HIGH);
digitalWrite(7, HIGH);
}
delay(100);
}

 

 

5. Esempi di utilizzi.
Immaginate cosa si può fare con questo progetto!
Il più immediato e più diretto è l'uso come pulsante per Arduino, senza doverne andare a comperare uno.
Oppure, sempre passando tramite Arduino, si può usare per comandare luci o altri device in casa.
O ancora potete usarlo come sensore di prossimità per rilevare il passaggio di qualcuno.
Sempre come rilevatore di prossimità potete usarlo per un erogatore di sapone automatico al passaggio delle mani sul foglio di alluminio; magari semplicemente incollandolo sulla superficie del dispenser di sapone.
Gli impieghi sono davvero tanti e le idee di certo non mancheranno anche a voi.

 

6. Improvements.
Vogliamo terminare parlando di applicazioni davvero fantasiose e spingendo al massimo le potenzialità di questo pulsante?
Cosa ne pensate di nascondere il pulsante dietro un quadro, o dentro un soprammobile, ed usarlo per aprire cassetti, porte, passaggi segreti o quello che vi passa per la testa? :)
O magari per creare oggetti interattivi, sia come giochi per bambini, sia per facilitarci la vita nell'ambito domestico.
Un uso, un po' avanzato, potrebbe essere quello in combinazione con strumenti pericolosi, come i fornelli, e magari al passaggio di una mano o altra parte del corpo azionare una luce o un piccolo buzzer per avvertire del pericolo.
Provate a proporre voi qualche uso interessante per questo pulsante e magari postate i vostri progetti nel forum!!
 

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