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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Handbewegungssteuerung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Bevor mit der Beschreibung des vorgeschlagenen Entwurfs fortgefahren wird, sollte eine wichtige Anmerkung gemacht werden. Das entwickelte berührungslose Bedienelement kann nicht nur in der Computertechnik eingesetzt werden. Der beschriebene Aufbau und Zweck des Gerätes ist nur ein Beispiel seiner Einsatzmöglichkeiten. Unter Fans der Luftfahrtgeschichte erfreut sich das Computerspiel „IL-2. Forgotten Battles“ mit seinen zahlreichen Ergänzungen wohlverdienter Beliebtheit. Kein einziges Geschichtsbuch kann den ruhigen Mut eines Angriffsflugzeugpiloten so präzise und präzise erklären wie in einem Laborexperiment, bei dem er ein von Flugabwehrgeschützen gequältes Auto auf einen Kampfkurs führt. Oder die rasende Aufregung des Piloten der Raiden, der sieht, wie die Silhouette der Boysan vor seinen Augen wächst. Allerdings ist die Position des virtuellen Piloten nicht so bequem wie die des echten. Und das Bild auf dem Monitor ist der Realität unterlegen und es gibt einfach nicht genug Hände, um mit der Tastatur zu arbeiten. Das letzte Problem wird teilweise mit Hilfe eines Joysticks gelöst. Hier gäbe es mehr Pedale zur Steuerung des Ruders. Allerdings sind sie nur in sehr seltenen und teuren Geräten erhältlich. Zwar gibt es auch bei günstigen Modellen einen dritten Regler, der je nach Wunsch genutzt werden kann: entweder als Pedal oder als Gassektor. Als ich meinen Joystick öffnete (Abb. 1), stellte ich fest, dass die äußersten Anschlüsse aller seiner variablen Widerstände (Potentiometer) parallel geschaltet waren. Offensichtlich wird ihnen die eine oder andere konstante Spannung entnommen, die dem Stromkreis zugeführt wird. Dies diente als Ausgangspunkt für die Entwicklung. Die einfachste Lösung liegt auf der Hand: Pedale herzustellen, deren Achse ein variabler Widerstand sein wird. Sie können das simulierte Steuerungssystem durch einige echte Flugzeuge ergänzen. Doch neben einer hohen technischen und historischen Zuverlässigkeit bringt eine solche Lösung auch erhebliche Nachteile mit sich. Das Design ist sehr sperrig und schwer. Es gibt ein Problem mit der Befestigung am Boden. Im heißen Moment des Gefechts oder wenn es beim Start darum geht, ein „Biest“ wie die La-5FN davon abzuhalten, sich mit dem Strahlmoment eines leistungsstarken Triebwerks zu drehen, kann man nur schwer widerstehen, nicht richtig aufs Pedal zu treten. Spiel in mechanischen Einheiten erschwert die Steuerung. Bringt keine Freude und Verschleiß von variablen Widerständen. Kurz gesagt, es ist ein anderes Design erforderlich, wenn auch nicht so historisch, aber praktischer und kompakter. Und warum „möblieren“ wir nicht all diese Mäuse, Tastaturen, Touchscreens von iPhones, die sicherlich einen direkten Kontakt erfordern und den Steuerungsprozess von der Oberfläche des Panels abreißen und auf die darüber liegende Lautstärke übertragen? Erinnern Sie sich an eine Geschichte von Kira Bulychev: „Der Fremde hielt seine Handfläche über ein grünes Licht. Es ging aus und leuchtete wieder heller als zuvor.“ Wir können das Gleiche tun. Wenn man an berührungslose Steuerung denkt, denkt man als Erstes an die Optik. Die meisten optischen Systeme arbeiten jedoch in Transmission oder Strahlunterbrechung. Stecken Sie Ihre Hand in eine Art Spalt zwischen Lichtquelle und Empfänger? Wer braucht so ein „kontaktloses“ Gerät? Bei reflektierenden Schaltungen hingegen handelt es sich meist um spezielle, kontrastreich gedruckte Etiketten und Barcodes. Gleichzeitig ist auch die Zuverlässigkeit ihrer Reaktion auf ein Objekt, das jede Farbe und Textur haben kann, zweifelhaft. Ein weiterer Umstand schränkt die Wahlfreiheit des Designers ein: Die beste Optik verwendet Laser. Ihre Strahlung ist jedoch schädlich für das Sehvermögen und daher ist ihre Verwendung in Bedienfeldern, auf die eine Person blickt, unerwünscht. Auch die unvermeidliche Verschmutzung und Staubbildung der Optik im Betrieb bereitet mitunter Probleme. Wenn schließlich mehr als ein Sensor vorhanden ist, führt dies zu einer erheblichen Komplikation und einer Erhöhung der Kosten der Schaltung. Deshalb habe ich mich für den Weg der Verwendung kapazitiver Sensoren entschieden. Die ersten Systeme dieser Art verwendeten Schwingkreise und waren sehr instabil. Fast jedes Mal, wenn sie eingeschaltet wurden, mussten sie angepasst werden. Später erschienen stabilere digitale Designs, die auf dem Prinzip der Impulsverzögerung basierten. Dabei handelte es sich jedoch um herkömmliche Touch-Geräte. Ihren Autoren fehlte offenbar die Vorstellungskraft, sich ein Gerät vorzustellen, das ohne direkten Kontakt funktioniert. Ich beschloss, es zu versuchen... Schauen Sie sich Abbildung 1 an. Der Generator auf den Elementen D1.2, D1.1 gibt Impulse an den Impulsformer entlang der Vorderseite auf D 1.3, D 1.4. An seinem Ausgang (Pin 11) liegt immer eine logische 1 an, außer für den Moment nach Eintreffen der Impulsfront vom Generatorausgang (Pin 3). Für die Verzögerungszeit des Impulses in der Kette R4, R3, CA wird an allen Eingängen von D1.4 eine logische 1 und am Ausgang eine logische 0 gesetzt. R6, C3 unterscheiden sich praktisch nicht von einer logischen Einheit . Sobald aber die Kapazität des Sensors steigt, da am Ausgang des Shapers eine logische 0 anliegt, nimmt dieser den größten Teil der Periodendauer der Taktimpulse ein und die Spannung am Ausgang sinkt. Um die richtige Empfindlichkeit des Geräts zu erreichen, ist es notwendig, dass die Dauer der Formerimpulse mit der Periode der Taktimpulse vergleichbar ist (diese jedoch nicht überschreiten darf). Dies ist bei Taktgeneratorfrequenzen von mindestens 100 kHz erreichbar.
Schauen wir uns nun den Aufbau des kapazitiven Sensors an (Abb. 2). Es handelt sich um eine horizontale Platte aus Glasfaserfolie. Die zweite (Boden-)Auskleidung ist ein Blechgehäuse-Schirm, in dem die Geräteplatine vertikal platziert ist. Sie bilden einen etwas ungewöhnlichen, halboffenen Kondensator mit senkrecht zueinander stehenden Platten. Es reagiert eindeutig mit einer Erhöhung seiner Kapazität auf die Platzierung eines beliebigen Objekts in seinem Feld, sowohl leitend als auch dielektrischer. Das Objekt wird in einem Abstand von mindestens 30 mm ertastet. Dieses Design liefert ein ziemlich weitreichendes Signal, das verschiedene Interferenzen und Instabilitäten überwinden kann. Und der Operationsverstärker DA1 kann seine Amplitude auf jeden gewünschten Wert bringen. Bewegen Sie Ihren Fuß nahe an die Platte und das Ruder Ihres Flugzeugs dreht sich. Bewegen Sie Ihren Fuß wieder nach oben oder nach hinten und der Vorgang kehrt sich um.
Es gibt zwei kapazitive Sensoren, wie Pedale in einem echten Flugzeug. Da das Signal von einem Sensor mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers und vom anderen mit dem nichtinvertierenden Eingang verbunden ist, hängt die Ausgangsspannung von deren Balance ab, auf welchem Zweig Sie mehr „geben“. Gleichzeitig ist die Schaltung nicht sehr kompliziert, da sowohl der Taktgenerator als auch der D1.3-Inverter mehreren Kanälen gemeinsam sein können. Eine Verstärkung des Operationsverstärkers um mehrere Größenordnungen für eine reibungslose Steuerung ist eindeutig überflüssig. Sie können das „Übersetzungsverhältnis“ der Steuerung ändern, indem Sie einen Gegenkopplungskreis einführen. R9 reduziert die Verstärkung und bei Wechselstrom ist der OOS dank des Kondensators C 5 sogar noch tiefer. Dadurch werden Eigenoszillationen ausgeschlossen. Die Leiterplatte des Geräts ist in Abbildung 3 dargestellt. Auf den folienfreien Abschnitten der Platine sind im Anschlussbereich der kapazitiven Sensoren viele Löcher mit einem Durchmesser von ca. 3 mm gebohrt, um die Anfangskapazität zu reduzieren und Erhöhen Sie die Empfindlichkeit des Geräts. Die Eingänge nicht genutzter D2-Elemente sind geerdet, um Schäden durch statische Aufladungen zu vermeiden. Es ist wünschenswert, diese Leiter dünn zu machen. Dann können Sie sie bei Bedarf (Ausfall von Arbeitselementen oder einigen Verbesserungen) ausschneiden und diese Elemente verwenden.
Design. Bei kapazitiven Sensoren liegen die Platten mit der Folie nach oben. Sie sind aufklappbar, können angehoben und an die Gehäusewände gedrückt werden und bilden so eine kompakte Box, die leicht zu tragen und zu lagern ist. Im Bereich der Aussparungen werden zu diesem Zweck Äxte aus Kupferdrahtresten mit einem Durchmesser von 0,8 mm verlötet. Außerdem sind flexible Drähte zum Stromkreis (am besten MGTF) und Drahtringe an die Platten angelötet, die ihren nicht abisolierten Teil halten und verhindern, dass der Draht an der Abisolierstelle bricht. Nach allen Lötarbeiten muss die Arbeitsfläche des Sensors vor elektrischem Kontakt mit Fremdkörpern geschützt werden. In vielen Fällen reicht hierfür ein breiter Klebebandaufkleber aus. Der Körper des Geräts ist ein U-förmiger Clip aus 2 mm dickem Kunststoff. Aus Kunststoffresten werden Führungen für die Platine und Noppen ausgeschnitten und von innen eingeklebt, in die Gewindelöcher zur Befestigung des Gehäuseschirms eingebracht werden. Sensorplatten werden mit den Achsen der Sensorplatten in die Aussparungen der unteren Pfoten des Gehäuses eingesetzt und mit Auflagen abgedichtet, die gleichzeitig den unteren Teil der Platine fixieren. Das U-förmige Gehäuse-Sieb besteht aus Zinn. Um die Anfangskapazität und den Einfluss der Auflagefläche zu verringern, reicht es nicht einige Millimeter bis zum Gehäuseboden. Gegenüber dem Abstimmwiderstand R4 ist ein Loch in den Schirm gebohrt. Von innen wird ein flexibler Draht an den Schirm gelötet, um ihn mit dem gemeinsamen Draht der Platine zu verbinden.
Einrichtung. Stellen Sie R4 auf die mittlere Position. Löten Sie anstelle von R1 einen abgestimmten Widerstand mit einem Widerstand von etwa 11 MΩ auf kurze Drähte. Stellen Sie ihn auf den Mindestwert ein. Stellen Sie sicher, dass der Trimmer, seine Kabel und andere Gegenstände nicht in den Bereich des CA-Sensors fallen. Erhöhen Sie den Widerstand schrittweise, bis die konstante Spannung an Pin 1 DD20 um 25 - 5 % abfällt. Dies ist ein Signal dafür, dass das Gerät begonnen hat, den umgebenden Raum wahrzunehmen. Messen Sie den Widerstand des Trimmers, ersetzen Sie ihn durch denselben Konstantwiderstand und stellen Sie den Trimmer auf R4, damit er nicht in das SB-Sensorfeld fällt. Stellen Sie den Ausgang des zweiten Treibers auf die gleiche Spannung wie den Ausgang des ersten. Stellen Sie die endgültige Balance mit dem Widerstand RXNUMX mit einem dünnen dielektrischen Schraubendreher ein, nachdem das Gerät vollständig zusammengebaut ist. Ziehen Sie einen Schraubendreher heraus und prüfen Sie die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers – sie sollte etwa bei der Hälfte der Versorgungsspannung liegen. Das Gerät wurde erfolgreich mit den IL-2-Programmen und dem Condor-Segelflugsimulator getestet. Der Grad des Realismus kam dem realen Flugzeug sehr nahe. Allerdings sind die genannten Programme nicht für flügellose Menschen gedacht. Schauen Sie sich den „Pioneer“-Ball an und mit etwas Übung wird alles gut. Wie bereits erwähnt, kann das vorgeschlagene berührungslose Bedienelement nicht nur in der Computertechnik eingesetzt werden. In den meisten Fällen ist eine zweikanalige symmetrische Schaltung wie die beschriebene nicht erforderlich. Ein einzelnes Kanalelement kann wie in Abbildung 5 dargestellt hergestellt werden.
Da der Ausgang des Shapers mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, ist die Spannung am Ausgang des Geräts im Ausgangszustand gering. Die Spannung am nichtinvertierenden Eingang wird durch den Trimmer R10 knapp unterhalb der Schaltschwelle eingestellt. Wenn Sie Ihre Hand an den kapazitiven Sensor halten, erhöht sich die Spannung am Ausgang des Geräts. Mit ihm lassen sich beliebige Geräte regulieren oder einfach ein- und ausschalten. Im letzteren Fall ist die OOS-Kette nicht erforderlich. Bei Experimenten mit dem Gerät erwies sich diese Option als recht effizient. Bei der Integration einer berührungslosen Steuerung in ein beliebiges Gerät ist zu beachten, dass der Sensor nicht nur auf die Kapazität reagiert, die von Objekten vor, sondern auch dahinter, also im Gehäuse des Geräts, eingebracht wird. Es ist wichtig, dass diese parasitäre Kapazität kleiner und vor allem unverändert bleibt. Eine lockere Sensorhalterung oder lose daneben baumelnde Kabel können den Aufbau stören. Dadurch können Sie keine gute Sensibilität erreichen. Es ist interessant, die berührungslose Steuerung (zwei unabhängige Kanäle) für die Bewegung von Türen, Rollläden usw. zu verwenden. Durch die Installation von zwei Sensoren am Griff, wie in Abbildung 6 gezeigt, können Sie den Flügel in jede gewünschte Position „schieben“, ohne ihn zu berühren.
Natürlich sind klassische Kippschalter und Regler einfacher und günstiger. Es wird jedoch immer noch Anwendungen geben, bei denen die vorgeschlagenen berührungslosen Steuerelemente vorzuziehen sind. Zum Beispiel unter gefährlichen Arbeitsbedingungen, wenn ein elektrischer Kontakt mit Geräten, die Übertragung von Infektionen usw. vollständig ausgeschlossen werden müssen. So können viele Geräte in Zukunft nur mit einer Handbewegung gesteuert werden, nicht mit bewaffneten Waffen Fernbedienungen, Token oder andere Geräte. Autor: A.Lisov
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