Przyciski dotykowe w Xplained

Firma Microchip (obecny producent mikrokontrolerów AVR) udostępniła użytkownikom moduł Xplained Mini zawierający na pokładzie mikrokontroler ATmega328PB. Jednocześnie dla tego modułu udostępnia kilka gotowych programów. Jeden z nich prezentuje obsługę pól dotykowych.

Według oryginalnej dokumentacji (Microchip Technology) sam moduł Xplained Mini zawierający mikrokontroler ATmega328PB, jest dostępny w dwóch wariantach, które różnią się sposobem rozwiązania (oraz liczbą) pól dotykowych stanowiących bazę do programowego rozpoznawania ich dotknięcia. Jedna wersja (rysunek 1), zawiera dwa pola dotykowe (na PCB opisane jako QT BTN 1 oraz QT BTN 2).

Inna wersja (rysunek 2) w tym miejscu oferuje cztery pola dotykowe (gdy popatrzeć na płytkę drukowaną „pod światło”).

W rzeczywistości jest to bardziej złożone, dwa moduły stanowią bazę dla różnych wariantów obsługi pól dotykowych. W tej samej dokumentacji jest informacja, że pole S (rysunek 3) jest połączone z polem A przez zworkę 0 Ω. Takie rozwiązanie umożliwia zbudowanie rozwiązań typu suwak (ang. slider).

Idea wykrywania dotknięć

Współczesne interfejsy użytkownika coraz częściej rezygnują z mechanicznych przełączników na rzecz paneli dotykowych. W mikrokontrolerze ATmega328PB zaimplementowano dedykowany, sprzętowy podzespół – Peripheral Touch Controller (PTC). Jest to wyspecjalizowany podsystem, który całkowicie odciąża jednostkę centralną od procesów generowania sygnałów, próbkowania i wstępnej filtracji danych. Idea działania kontrolera PTC jest technologią transferu ładunku, realizowana w dwóch zasadniczo odmiennych wariantach architektonicznych: Self-Capacitance (pomiar pojemności własnej) oraz Mutual-Capacitance (pomiar pojemności wzajemnej).

W wariancie Self-Capacitance sensor stanowi pojedynczą, odizolowaną elektrodę przewodzącą, połączoną z jednym pinem wejściowym mikrokontrolera (linią Y). W ujęciu elektrostatycznym, elektroda ta tworzy okładzinę kondensatora, którego drugą, wirtualną okładziną jest masa układu (GND). Przed interakcją z użytkownikiem, układ ma stałą, bazową pojemność pasożytniczą. Zależy ona bezpośrednio od geometrii ścieżek, grubości laminatu oraz odległości od wewnętrznych płaszczyzn masy. Wprowadzenie ludzkiego palca w bliskie sąsiedztwo elektrody tworzy nowy obwód elektryczny. Ciało człowieka, reprezentujące relatywnie dużą pojemność, łączy pole dotykowe z potencjałem ziemi, wnosi do układu dodatkową pojemność. Można to traktować jako dołączenie do istniejącego obwodu kolejnego kondensatora w sposób równoległy. Z punktu widzenia mikrokontrolera całkowita pojemność widziana przez pin mikrokontrolera wzrasta. Sprzętowy kontroler PTC realizuje pomiar poprzez cykliczne i niezwykle precyzyjne przesyłanie porcji ładunku elektrycznego pomiędzy pojemnością sensora a wewnętrznym, precyzyjnym kondensatorem próbkowania, wbudowanym w strukturę PTC. Proces ten przebiega w ściśle zsynchronizowanych fazach. Pierwszą jest zerowanie, gdzie wewnętrzny kondensator oraz zewnętrzna elektroda sensora są całkowicie rozładowywane do potencjału masy (GND), aby usunąć wszelkie ładunki szczątkowe. W drugim kroku następuje ładowanie kondensatora. Zewnętrzna elektroda (pole dotykowe) zostaje podłączona do wewnętrznej szyny zasilania na ściśle określony czas, przez co gromadzi ładunek proporcjonalny do swojej aktualnej pojemności. W kolejnym cyklu elektroda zostaje odłączona od zasilania i połączona bezpośrednio z wewnętrznym kondensatorem. Zgromadzony na elektrodzie ładunek przepływa i rozdziela się pomiędzy obie pojemności: pola dotykowego oraz kondensatora wzorcowego. Cykl ładowania i przesyłania ładunku jest powtarzany wielokrotnie w ramach jednego procesu pomiarowego. Każde powtórzenie powoduje stopniowe „pompowanie” napięcia na kondensatorze. Po zakończeniu serii transferów, napięcie na kondensatorze próbkowania jest poddawane konwersji przez dedykowany komparator analogowo-cyfrowy lub przetwornik ADC powiązany z PTC. Im większa pojemność sensora, która wzrosła przez obecność palca, tym większy ładunek zostaje przetransferowany w każdym cyklu i tym wyższe napięcie końcowe odkłada się na kondensatorze pomiarowym. Wartość cyfrowa odpowiadająca końcowemu napięciu stanowi sygnał surowy, który jest dalej poddawany obróbce programowej (zaawansowana matematyka). Jej zadaniem jest usuwanie szumu, zakłóceń, odfiltrowanie sieci 50 Hz.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w październikowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 10/2026). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 10/2026 znajduje się tutaj.

Andrzej Pawluczuk
apawluczuk@vp.pl

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.