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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Controllo del movimento della mano. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Progettista radioamatore Prima di procedere con la descrizione del progetto proposto è opportuno fare una nota importante. L'elemento di controllo senza contatto sviluppato può essere utilizzato non solo nella tecnologia informatica. La struttura e lo scopo descritti del dispositivo sono solo un esempio delle sue possibili applicazioni. Tra gli appassionati di storia dell'aviazione, il gioco per computer "IL-2. Forgotten Battles" con le sue numerose aggiunte gode di una meritata popolarità. Nessun libro di testo di storia può spiegare il calmo coraggio di un pilota di un aereo d'attacco in modo così accurato e accurato, come in un esperimento di laboratorio, alla guida di un'auto tormentata da cannoni antiaerei su una rotta di combattimento. O l'eccitazione frenetica del pilota del Raiden, vedendo come la sagoma del Boysan cresce ai suoi occhi. Tuttavia la posizione del pilota virtuale non è comoda quanto quella reale. E l'immagine sul monitor è inferiore alla realtà e semplicemente non ci sono abbastanza mani per lavorare con la tastiera. L'ultimo problema è in parte risolto con l'aiuto di un joystick. Qui ci sarebbero più pedali per controllare il timone. Tuttavia, sono disponibili solo in dispositivi molto rari e costosi. È vero, anche nei modelli economici c'è un terzo regolatore che può essere utilizzato a piacere: sia come pedali che come settore del gas. Aprendo il mio joystick (Fig. 1), ho scoperto che i terminali estremi di tutti i suoi resistori variabili (potenziometri) sono collegati in parallelo. Ovviamente, da essi viene rimossa l'una o l'altra tensione costante, che viene fornita al circuito. Questo è servito come punto di partenza per lo sviluppo. La soluzione più semplice è ovvia: realizzare pedali, il cui asse sarà un resistore variabile. Possono integrare il sistema di controllo simulato con alcuni aerei reali. Ma, oltre all'elevata affidabilità tecnica e storica, tale soluzione presenta anche notevoli svantaggi. Il design è molto ingombrante e pesante. C'è un problema con il fissaggio al pavimento. Nel momento caldo della battaglia, o quando al decollo è necessario impedire a una "bestia" come il La-5FN di girarsi con l'impulso di un potente motore, è difficile resistere a non premere correttamente il pedale. Il gioco nelle unità meccaniche rende difficile il controllo. Non porta gioia e usura dei resistori variabili. In una parola, è necessario qualche altro design, anche se non così storico, ma più comodo e compatto. E perché non "forniamo" tutti questi mouse, tastiere, touch screen degli iPhone, che sicuramente richiedono un contatto diretto e non strappiamo il processo di controllo dalla superficie del pannello, trasferendolo al volume sopra di esso? Ricorda come in una delle storie di Kira Bulychev: "Lo sconosciuto teneva il palmo della mano sopra una luce verde. Si spense e si accese di nuovo più luminosa di prima". Possiamo fare lo stesso. La prima cosa che viene in mente quando si pensa al controllo senza contatto è l'ottica. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi ottici funziona in trasmissione o in interruzione del raggio. Inserire la mano in una sorta di spazio tra la sorgente luminosa e il ricevitore? Chi ha bisogno di un dispositivo così "senza contatto"? D'altra parte, i circuiti riflettenti di solito si occupano di etichette e codici a barre stampati speciali e ad alto contrasto. Allo stesso tempo, è dubbia anche l'affidabilità della loro reazione a un oggetto che può essere di qualsiasi colore e consistenza. Limita la libertà di scelta del progettista e un'altra circostanza: la migliore ottica utilizza i laser. Ma le loro radiazioni sono dannose per la vista e quindi non è desiderabile utilizzarle nei pannelli di controllo che una persona guarda. Anche l'inevitabile contaminazione e spolveramento delle ottiche durante il funzionamento crea di tanto in tanto problemi. Infine, se sono presenti più sensori, ciò comporta una notevole complicazione e un aumento del costo del circuito. Pertanto, ho deciso di utilizzare sensori capacitivi. I primi sistemi di questo tipo utilizzavano circuiti oscillatori ed erano molto instabili. Quasi ogni volta che venivano accesi, dovevano essere regolati. Successivamente apparvero progetti digitali più stabili basati sul principio del ritardo dell'impulso. Tuttavia, questi erano dispositivi touch convenzionali. I loro autori, a quanto pare, non avevano abbastanza immaginazione per immaginare un dispositivo che funzioni senza contatto diretto. Ho deciso di provare... Dai un'occhiata alla figura 1. Il generatore sugli elementi D1.2, D1.1 fornisce impulsi al modellatore di impulsi lungo la parte anteriore su D 1.3, D 1.4. Alla sua uscita (pin 11) è sempre presente un 1 logico, tranne il momento successivo all'arrivo del fronte di impulsi dall'uscita del generatore (pin 3). Per il tempo di ritardo dell'impulso nella catena R4, R3, CA su tutti gli ingressi D1.4 viene impostato un 1 logico e sull'uscita viene impostato uno 0 logico R6, C3 praticamente non differisce da un'unità logica . Ma non appena la capacità del sensore aumenta, come 0 logico all'uscita del modellatore, occupa la maggior parte del periodo degli impulsi di clock e la tensione all'uscita diminuisce. Per ottenere la corretta sensibilità del dispositivo è necessario che la durata degli impulsi shaper sia paragonabile al periodo degli impulsi clock (ma non li superi). Ciò è ottenibile con frequenze del generatore di clock di almeno 100 kHz.
Ora diamo un'occhiata al design del sensore capacitivo (Fig. 2). È una lastra orizzontale di lamina di fibra di vetro. Il secondo rivestimento (terra) è uno schermo-involucro di lamiera, in cui è posizionata verticalmente la scheda del dispositivo. Formano un condensatore semiaperto alquanto insolito con piastre perpendicolari tra loro. Reagisce chiaramente con un aumento della sua capacità al posizionamento nel suo campo di qualsiasi oggetto, sia conduttivo che dielettrico. L'oggetto viene percepito ad una distanza di almeno 30 mm. Questo design fornisce un segnale piuttosto ampio in grado di superare varie interferenze e instabilità. E l'amplificatore operazionale DA1 può portare la sua ampiezza a qualsiasi valore richiesto. Avvicina il piede alla piastra e il timone del tuo aereo girerà. Muovi il piede indietro o in alto e il processo si invertirà.
Ci sono due sensori capacitivi, come i pedali in un aereo reale. Poiché il segnale di un sensore è collegato all'ingresso invertente dell'amplificatore e dall'altro all'ingresso non invertente, la tensione di uscita dipende dal loro equilibrio, da quale gamba si “da” di più. Allo stesso tempo, il circuito non è molto complicato, perché sia il generatore di clock che anche l'inverter D1.3 possono essere comuni a più canali. Rafforzare l'amplificatore operazionale di diversi ordini di grandezza per un controllo uniforme è chiaramente ridondante. È possibile modificare il "rapporto di trasmissione" del controllo introducendo un circuito di feedback negativo. R9 riduce il guadagno, e per la corrente alternata l'OOS è ancora più profondo, grazie al condensatore C 5. Ciò elimina la possibilità di auto-oscillazioni. Il circuito stampato dell'apparecchio è mostrato in Figura 3. Sulle sezioni prive di pellicola della scheda nella zona in cui sono collegati i sensori capacitivi vengono praticati numerosi fori con un diametro di circa 3 mm per ridurre la capacità iniziale e aumentare la sensibilità del dispositivo. Gli ingressi degli elementi D2 non utilizzati sono messi a terra per evitare danni dovuti a cariche statiche. È auspicabile rendere questi conduttori sottili. Quindi, se necessario (guasto degli elementi funzionanti o alcuni miglioramenti), è possibile tagliarli e utilizzare questi elementi.
disegno. Le piastre dei sensori capacitivi si trovano con la lamina rivolta verso l'alto. Sono incernierati, possono essere sollevati e premuti contro le pareti della valigia, formando una scatola compatta, facile da trasportare e riporre. Nell'area dei ritagli, a questo scopo, gli assi vengono saldati da scarti di filo di rame con un diametro di 0,8 mm. Inoltre, i fili flessibili al circuito (meglio di tutti MGTF) e gli anelli di filo sono saldati alle piastre, trattenendo la loro parte non spelata e impedendo la rottura del filo nel punto di spelatura. Dopo tutta la saldatura, la superficie di lavoro del sensore deve essere isolata dal contatto elettrico con oggetti estranei. In molti casi è sufficiente un adesivo largo. Il corpo del dispositivo è una clip a forma di U in plastica spessa 2 mm. Dai ritagli di plastica, le guide per la scheda e le borchie vengono ritagliate e incollate dall'interno, nelle quali sono realizzati fori filettati per il fissaggio dello schermo-involucro. Le piastre dei sensori vengono inserite nei tagli delle zampe inferiori della custodia con gli assi delle piastre dei sensori e sigillate con sovrapposizioni, che fissano anche la parte inferiore della scheda. Lo schermo-involucro a forma di U è fatto di stagno. Per ridurre la capacità iniziale e l'influenza della superficie di supporto, questa non raggiunge alcuni millimetri fino al fondo del case. Di fronte al resistore di sintonizzazione R4, nello schermo viene praticato un foro. Dall'interno, un filo flessibile è saldato allo schermo per collegarsi al filo comune della scheda.
Istituzione. Imposta R4 in posizione centrale. Invece di R1, saldare un resistore sintonizzato con una resistenza di circa 11 MΩ su fili corti. Impostalo sul valore minimo. Assicurarsi che il trimmer, i suoi fili ed eventuali altri oggetti non cadano nel campo del sensore CA. Aumentare gradualmente la sua resistenza finché la tensione costante sul pin 1 DD20 non scende del 25-5%. Questo è un segnale che il dispositivo ha iniziato a sentire lo spazio circostante. Misurare la resistenza del trimmer e sostituirlo con lo stesso resistore costante, e spostare il trimmer su R4 in modo che non cada nel campo del sensore SB. Imposta l'uscita del secondo driver sulla stessa tensione dell'uscita del primo. Impostare il bilanciamento finale con il resistore RXNUMX utilizzando un cacciavite dielettrico sottile dopo che il dispositivo è completamente assemblato. Estrai un cacciavite e controlla la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale: dovrebbe essere quasi la metà della tensione di alimentazione. Il dispositivo è stato testato con successo con i programmi IL-2 e il simulatore di aliante Condor. Il grado di realismo era molto vicino a quello dell'aereo reale. Tuttavia, i programmi menzionati non sono creati per le persone senza ali. Guarda la palla "Pioneer" e, dopo un po' di pratica, tutto andrà bene. Come già accennato, l'elemento di controllo senza contatto proposto può essere utilizzato non solo nella tecnologia informatica. Nella maggior parte dei casi non è necessario un circuito bilanciato a due canali come quello descritto. È possibile realizzare un elemento a canale singolo come mostrato nella Figura 5.
Poiché l'uscita dello shaper è collegata all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale, nello stato iniziale la tensione all'uscita del dispositivo è piccola. La tensione all'ingresso non invertente viene regolata dal trimmer R10 appena sotto la soglia di commutazione. Se avvicini la mano al sensore capacitivo, la tensione all'uscita del dispositivo aumenterà. Può essere utilizzato per regolare o semplicemente accendere e spegnere qualsiasi dispositivo. In quest'ultimo caso la catena OOS non è necessaria. Nel corso degli esperimenti con il dispositivo, questa opzione si è rivelata abbastanza efficiente. Quando si integra il controllo senza contatto in qualsiasi apparecchiatura, è necessario ricordare che il sensore reagisce alla capacità introdotta dagli oggetti non solo davanti, ma anche dietro di esso, cioè nella custodia dell'apparecchiatura. È importante che questa capacità parassita sia più piccola e, soprattutto, invariata. Un supporto del sensore allentato o dei cavi penzolanti accanto ad esso possono interferire con la configurazione. Ciò non ti consentirà di realizzare una buona sensibilità. È interessante utilizzare il controllo senza contatto (due canali indipendenti) per il movimento di eventuali porte, persiane, ecc. Installando due sensori sulla maniglia, come mostrato in Figura 6, è possibile "spingere" l'anta nella posizione desiderata senza toccarla.
Naturalmente, gli interruttori a levetta e i regolatori classici sono più semplici ed economici. Tuttavia, ci saranno ancora applicazioni in cui gli elementi di controllo senza contatto proposti saranno più preferibili. Ad esempio, in condizioni di lavoro pericolose, quando è necessario escludere completamente il contatto elettrico con le apparecchiature, la trasmissione di infezioni, ecc. Pertanto, molti dispositivi in futuro potranno essere controllati con un semplice gesto della mano, non armati di telecomandi, gettoni o altri dispositivi. Autore: A.Lisov
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