Una tecnología en alta en los días actuales es la que aprovecha el aumento de la capacitancia de un circuito cuando acercamos nuestros dedos, que funciona como una de las armaduras de un capacitor. En el caso específico de los proyectos con microcontroladores, esta tecnología posibilita el uso de un enfoque muy interesante para "leer" cuando alguien toca el sensor. Es justamente de ella que tratamos en ese artículo (2007).
El simple toque de los dedos en un panel puede ser aprovechado para conmutar circuitos de diversas formas. La manera más tradicional, y no muy conveniente, es la que aprovecha la resistencia de la piel. Tocando simultáneamente en dos electrodos, una pequeña corriente pasa a través del dedo y es detectada por el circuito, como muestra la figura 1.
Sin embargo, una tecnología mucho más apropiada y que no necesita el contacto eléctrico de los dedos con un circuito, lo que en términos de seguridad es mucho mejor.
La tecnología del sensor de capacitancia se utiliza en una infinidad de equipos electrónicos. Sin embargo, como detectar el toque o la variación de la capacitancia es algo que exige que se ven varios desafíos.
En el caso específico de los microcontroladores, se puede trabajar con una tecnología directa bastante interesante que abordamos en ese artículo.
Sensores Capacitivos
Si colocamos dos placas conductoras, una cerca de la otra tiene sobre ellas un material aislante (dieléctrico) como, por ejemplo, el vidrio o plástico, el conjunto se comporta como un capacitor, como muestra la figura 2.
La capacitancia presentada por ese conjunto depende del dieléctrico y del tamaño y separación de las placas conductoras. Cuando tocamos con el dedo en la placa aislante, sin hacer contacto eléctrico por lo tanto con los electrodos (armaduras), el dedo pasa a presentar una capacitancia adicional, como muestra la figura 3.
La capacitancia total presentada por el conjunto pasa a ser entonces la suma de las capacitancias del sensor en sí, más la capacitancia presentada por el dedo.
En suma, el circuito ve el conjunto de dos formas: con una capacitancia menor cuando no hay nada tocando y una capacitancia mayor cuando los dedos lo tocan.
A partir de ese hecho, el toque puede ser detectado por la variación de la capacitancia que ocurre cuando alguien toca el sensor. Para este propósito existen diversas tecnologías posibles como, por ejemplo, detectar el cambio de frecuencia de un oscilador cuya frecuencia es controlada por ese capacitor o aún, como veremos a continuación, por la variación del tiempo (recuento) que el sensor tarda para cargar cuando está sin el toque y cuando hay el toque.
Otra posibilidad consiste en utilizar un oscilador en mantenimiento crítico, el cual paraliza su funcionamiento cuando la capacitancia aumenta.
Las Tecnologías
Una tecnología simple, pero no muy conveniente, es la que hace uso de un filtro pasa bajas o aún de un filtro sintonizado. En este caso, el sensor capacitivo controla la frecuencia de un oscilador cuya señal se aplica a ese filtro.
En la condición de ningún toque, la frecuencia se sitúa por encima del rango pasante del filtro o de la frecuencia sintonizada por el filtro y no se pasa ninguna señal de control.
Cuando alguien toca el sensor, la frecuencia cae por debajo de la frecuencia de corte del filtro o pasa por la frecuencia sintonizada generando así una señal de control.
Para la tecnología de los microcontroladores, un proceso mucho mejor es lo que hace uso de la comparación de la frecuencia de un oscilador controlado por el sensor con un valor predeterminado, como ilustra el diagrama de la figura 4.
La capacitancia típica de un sensor de este tipo está en el rango de 5 a 15 pF y la frecuencia del oscilador que controla está en el rango de 100 kHz a 400 kHz. La frecuencia exacta del oscilador no es importante, pues lo que va a programar es sólo una comparación de pulsos contados a partir de cierto valor.
Así, el microcontrolador está programado para contar los pulsos en un intervalo de tiempo cuando no hay toque alguno y por lo tanto tiene el valor máximo (frecuencia más alta).
Los pulsos del oscilador son contadas y comparadas con una referencia que corresponde al valor que va a ocurrir cuando la capacitancia aumenta, sobrepasando cierto valor lo que indica el toque.
Así, lo que se hace es determinar el rango de pulsos debajo de la cual el comparador va a actuar, proporcionando una señal de salida que indica el toque.
Solución Microchip
En su Application Note AN1101, Microchip (www.microchip.com) presenta un circuito oscilador que puede ser elaborado alrededor de un PIC usando una configuración RC para generar la señal en el rango de frecuencias deseado. Este oscilador se muestra en la figura 5.
El circuito aprovecha dos comparadores, funcionando en el modo de relajación. El capacitor de 1 000 pF tiene por objeto rechazar el ruido de alta frecuencia de la fuente de alimentación.
En ese circuito el capacitor carga y descarga según un ciclo que se muestra en la figura 6.
Una vez que el oscilador ha sido proyectado, el problema siguiente consiste en detectar la caída de la frecuencia que ocurre cuando la capacitancia del sensor aumenta (por el toque).
El circuito de la figura 7 muestra cómo se puede hacer con un PIC. En este circuito el pasador C2OUT se utiliza tanto para proporcionar la señal de realimentación que mantiene el oscilador en funcionamiento como también aplica la señal a la entrada de reloj del Timer1, TICK1.
Cada vez que la salida C2OUT cambia de nivel lógico, el Timer1 incrementará el recuento de una unidad. Sin embargo, este evento aún no sirve para hacer el sensoriamiento capacitivo.
Para lograr esto, una base de tiempo fija se utiliza para medir la frecuencia en un determinado intervalo de tiempo. El Timer0 se utiliza para este propósito Al principio de la medida, el Timer0 es cero y luego contará hasta 255 y luego se desbordará.
En el desbordamiento, el Timer0 interrumpe T0IF lo que hace que el vector de programa detiene la rutina de servicio. El valor de TMR1 se lee y se compara con las lecturas previas. Esto consiste en una exploración única del botón sensor.
Si el valor actual de TMR1 es más bajo, esto significa que la capacitancia aumentó y la frecuencia cayó lo que fue causado por la presencia del dedo en el sensor.
Con la lógica apropiada, nuevos valores pueden tener la media tomada y comparados con una media de referencia, resultando así en un mejor proceso de comparación.
Al final de la interrupción de la rutina de servicio, una vez detectada la activación del sensor, tanto Timer1 como Timer0 se restablece a un nuevo ciclo de lectura del sensor.
Más información sobre este procedimiento el lector encuentra en el AN1101 inclusive las rutinas que deben ser utilizadas en la programación para ese propósito.
Conclusión
La posibilidad de fácil implementación de sensores de toque capacitivos en circuitos comunes que usan microcontroladores, además de la seguridad que traen, por la no necesidad de contactos eléctricos hacen que esta opción sea muy interesante para equipos de consumo.
Lo que hemos visto en este artículo da una idea al lector de cómo esto puede ser implementado no sólo en los microcontroladores de Microchip como en cualquier otro.