Оглавление
Резистивный датчик давления (FSR) представляет собой устройство из толстой полимерной пленки (PTF), сопротивление которого уменьшается с увеличением силы, приложенной к активной поверхности. Сразу заметим, что датчик FSR не является тензодатчиком или датчиком давления.
Характеристики силы и сопротивления дают представление о поведении FSR. Когда на датчик практически не оказывается давление, его сопротивление будет близким к бесконечному, но как только прикладывается некоторое значение, сопротивление падает. Проще говоря, FSR мягко реагирует при приложении давления к плоской области датчика.
FSR — это двухвыводный переменный резистор, который в зависимости от силы меняет свое сопротивление. FSR могут различаться по размеру, форме и чувствительности измерения силы. Существует множество форм-факторов, включая круглые и квадратные (в которых расположена активная область датчика).
Датчик FSR, о котором идет речь в этой статье, является дешевой альтернативой довольно популярному FSR400 от Interlink Electronics. Этот небольшой круглый резистор, имеет активную чувствительную область диаметром 4 мм. Когда давление не прикладывается, его сопротивление будет больше 10 МОм (почти бесконечное), при полном давлении сопротивление около 1 кОм. Две ножки выходят из нижней части датчика с шагом 0,1 дюйма, что делает его удобным для макетирования.
Настройка резистора FSR
Для простого преобразования силы в напряжение датчик FSR можно подключить к обычному резистору в конфигурации делителя потенциала, как показано на схеме ниже. Опорный резистор следует выбирать так, чтобы максимизировать желаемый диапазон чувствительности к силе и ограничить ток через датчик до уровня менее 1 мА/см 2 приложенной силы.
В этой схеме выходное напряжение увеличивается с увеличением силы, и выходное напряжение можно оценить по уравнению: VOUT = (V+) / (1+ RFSRub>/RS). Если поменять местами оба компонента, размах выходного сигнала будет уменьшаться с увеличением силы.
Предлагаемый ОУ для этой схемы, с одним источником питания — микросхема сдвоенного операционного усилителя LM358. Буферную схему операционного усилителя можно на время отложить в сторону, просто чтобы поближе взглянуть на выход делителя потенциала, который включает в себя FSR и Rs.
Когда никакая сила не применяется, сопротивление FSR будет очень высоким (в качестве примера возьмем 10 МОм). С резистором 10 кОм в качестве Rs и напряжением Vcc 5 В выходной сигнал будет почти 0 В. Но если очень сильно нажмем на датчик FSR, сопротивление FSR упадет примерно до 1 кОм, что приведет к выходному напряжению 4,5 В.
Как видите, теперь можно измерить выходное напряжение (VOUT) в диапазоне от 0 В до 4,5 В в зависимости от силы, которую прикладываем к датчику FSR. Вообще выбор резистора правильного номинала, соответствующего вашему датчику FSR, может быть немного сложным, зависящим от диапазона силы, который необходимо обнаружить и измерить.
FSR и Arduino
Чтобы преобразовать силу приложенную к датчику в напряжение, потребуется подготовить схему делителя потенциала с резистором, чувствительным к силе, и подтягивающим резистором. Затем создается выходное переменное напряжение, которое может быть считанно с помощью входа аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллеров Arduino. На приведенной схеме показано, как подключить датчик FSR к Arduino Uno.
В качестве меры предосторожности не рекомендуется припаивать провода непосредственно к открытым дорожкам датчика FSR, поскольку во время пайки подложка расплавится, и паяное соединение не удержится. Кроме того, никогда не скручивайте и не мните хвостовик датчика, поскольку это может привести к разрывам напечатанных серебряных дорожек. Минимальный радиус изгиба — 2,5 мм.
Теперь, когда мы подключили датчик FSR, можем загрузить следующий код с помощью Arduino IDE. Код будет считывать данные датчика FSR с аналогового входа A0 Arduino Uno и отображать выходное значение «0-1023» на последовательном мониторе. Отображаемое значение может быть дополнительно обработано для запуска действий в зависимости от величины приложенного давления.
int FSR_Pin = A0;
void setup(){
Serial.begin(9600);
}void loop(){
int FSRReading = analogRead(FSR_Pin);
Serial.println(FSRReading);
delay(250);
}
FSR в аналоговой схеме
А далее давайте рассмотрим конструкцию простой «аналоговой» схемы, идеально подходящей для устройств, требующих включения-выключения по заданной силе.
Датчик FSR расположен в делителе потенциала, как и раньше. В качестве компаратора используется операционный усилитель. Неинвертирующий (+) вход операционного усилителя управляется выходом делителя потенциала, который представляет собой напряжение, которое увеличивается в соответствии с прилагаемой силой. При нулевой силе выходной сигнал ОУ будет низким. Когда напряжение на неинвертирующем входе превышает напряжение инвертирующего (-), выход операционного усилителя переключается на высокий уровень. Напряжение запуска, то есть порог силы, устанавливается на инвертирующем входе ОУ с помощью подстроечного резистора.
Смотрим принципиальную схему. Обратите внимание, что используемая микросхема операционного усилителя — LM358, но микросхема компаратора, такая как LM393, также работает здесь достаточно хорошо (должна использоваться в сочетании с выходным подтягивающим резистором). Кроме того, можно использовать соответствующий резистор гистерезиса (между выходом и неинвертирующим входом) в качестве элемента устранения дребезга, чтобы исключить любое возможное многократное срабатывание выхода.
Выход этой схемы можно использовать для управления электромагнитным реле через внешний MOSFET транзистор. И важно понимать, что в отличие от большинства новых операционных усилителей с большим размахом выходного напряжения, LM358 имеет выходное напряжение уровня, которое значительно ниже, чем у шины питания VCC, независимо от тока источника нагрузки.
В общем есть множество применений датчиков FSR в проектах аналоговой и цифровой электроники. Например нажимная панель с Raspberry Pico и датчиком FSR, чтобы определять, когда кто-то оказывает давление на определенную часть коврика, или загрузку какого-то контейнера, как в следующем проекте.
Практическое применение датчика
Представленный далее пример проекта Arduino Bin Level Sensor включает в себя резистор (FSR) для мониторинга заполнения обычных баков с твердыми веществами или жидкостями. В эксперименте используется только один FSR резистор для контроля за контейнером и цветные индикаторы для уведомления пользователя о том, насколько он заполнен.
Аналоговый вход Arduino будет показывать «1023» при 5 В (максимум) и «0» при 0 В (минимум). Таким образом, можем измерить напряжение на FSR с помощью AnalogRead и получить показания силы.
В эксперименте FSR был прикреплен ко дну небольшого пластикового контейнера с помощью куска картона круглой формы (по размеру головки датчика), чтобы оказывалось давление непосредственно на резистор. Затем контейнер поместили на небольшой плоский деревянный брусок в качестве опоры между нижней частью контейнера и верхней частью основания. А пенопласт был использован для перекрытия узкого зазора между ними, чтобы давление бункера оказывалось на FSR равномерно.
Здесь необходим только делитель напряжения для сопряжения FSR с Arduino. Одной ветвью предлагаемого делителя напряжения является сам FSR, а другой — постоянный резистор номиналом 10 кОм (1%). Далее подключаем 3 светодиода и соответствующие компоненты, показанные на этой схеме:
В эксперименте с твердыми объектами, помещенными в корзину, наблюдались показания Arduino от 512 (корзина пуста) до 716 (корзина полная). Подготовленный на этой основе код Arduino в этом файле.
В коде используем значения «fsrReading», например 512 600 680 и так далее. Очевидно, что эти значения в вашем случае могут отличаться. Как добавить соответствующие значения в свой скетч? Измерьте напряжение постоянного тока на A0 вашей настройки Arduino, когда уровень заполнения бака минимальный, средний и полный, с помощью цифрового мультиметра и снимите значения аналогового считывания, используя формулу «1024/5 x В». Например, если получаете 2 В, когда уровень минимальный, то соответствующее значение fsr, которое нужно добавить в скетч, составит 1024/5 x 2 = 409,6 (~ 410).
И напоследок заметим, что нужно всегда использовать твердую, плоскую и гладкую монтажную поверхность для FSR. Не применяйте чрезмерную силу сдвига. Обратите внимание, что чувствительность к силе типичного FSR находится в диапазоне от <100 г до > 10 кг, в зависимости от типа датчика.
