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Kapazitive Touch-Sensoren Eine robuste Touch-Bedienoberfläche für Haushaltsgeräte

| Autor / Redakteur: Michele Apuzzo * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bei Haushaltsgeräten spielen Bedienelemente eine wichtige Rolle. Kapazitive Schnittstellen bieten viele Designmöglichkeiten, die allerdings genauso robust und zuverlässig sein müssen wie mechanische Schalter.

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Bedienelemente im Haushalt: Eine Touch-Bedienoberfläche in Kühlschrank, Waschmaschine oder Mikrowelle bietet einen Mehrwert. Zum Einsatz kommen kapazitive Sensoren.
Bedienelemente im Haushalt: Eine Touch-Bedienoberfläche in Kühlschrank, Waschmaschine oder Mikrowelle bietet einen Mehrwert. Zum Einsatz kommen kapazitive Sensoren.
(Bild: Dariusz T. Oczkowicz - Fotolia)

Inzwischen gibt es kaum noch jemanden, der noch nie eine kapazitive Schnittstelle genutzt hat. Mobiltelefone, Tablets oder Notebooks, alle werden über Touch-Controller gesteuert. Dieser Trend hat sich mittlerweile auch auf andere Bereiche übertragen, die bisher eher weniger für schnelle Innovationen bekannt sind, wie Weiße Ware und der Automobilmarkt.

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Die Anbieter von Haushaltsgeräten stehen vor einem großen Dilemma: Welche Merkmale müssen implementiert werden, um mehr zu verkaufen? Beispielsweise bei Waschmaschinen: neue Waschmethoden, mehr Leistungseffizienz oder bessere Waschergebnisse? Auch das Design wird immer wichtiger, schließlich soll bereits der erste Eindruck den Endanwender überzeugen. Inzwischen werden viele Kaufentscheidungen nicht mehr auf Grund technischer Argumente getroffen, sondern nur wegen des Designs. Mit Hilfe von Touch-Sensoren lassen sich ansprechende Schnittstellen realisieren. Außerdem ermöglichen kapazitive Sensoren auch neue Merkmale, die bisher nicht oder sehr schwierig mit anderen Techniken zu realisieren waren.

Wie ein kapazitiver Sensor funktioniert

Atmel nutzt ein Verfahren, um die Ladungsverschiebungen zu messen. Dieses Verfahren kann für verschiedene Arten von kapazitiven Sensoren genutzt werden, wie für Eigenkapazität (QTouch) und wechselseitige Kapazität bzw. Gegenkapazität (Qmatrix). Ein Eigenkapazitätssensor verfügt nur über eine Verbindung zum Controller und strahlt ein elektrisches Feld in alle Richtungen aus. Wird ein Finger aufgelegt, dann erhöht sich die gemessene Kapazität (Hierzu auch die Bilder 1 und 2).

Ein Gegenkapazitätssensor hat zwei Verbindungen, und zwar X als Sender und Y als Empfänger. Die Gegenkapazität von X nach Y wird über die Zeit gemessen. Berührt ein Finger den Bereich zwischen X und Y, dann fließt Ladung ab, was zu einer Verminderung der Gesamtkapazität führt. Im Gegensatz zur Eigenkapazität wird in diesem Fall bei einer Berührung ein niedrigerer Kapazitätswert gemessen.

Mit Hilfe beider Techniken lassen sich robuste Benutzerschnittstellen (UI) realisieren. Die Auswahl des Verfahrens ist häufig von der Anzahl der benötigten Schaltflächen abhängig. Für eine größere Zahl von Schaltflächen wird meist Qmatrix bevorzugt, da sich die Anzahl der Pins für N Schaltflächen nach der Formel 2 x √N berechnet, die Pinzahl bei QTouch hingegen identisch mit N ist.

Der Peripheral Touch Controller im Überblick

Mittlerweile hat sich der Peripheral Touch Controller (PTC) von Atmel als eine zuverlässige kapazitive Touch-Technik durchgesetzt. Er verfügt über eine integrierte Hardware für kapazitive Touch-Sensoren und Funktionen für Schaltflächen, Schieberegler und Drehknöpfe. Der Controller unterstützt sowohl Eigen- als auch Gegenkapazitätsmessungen ohne zusätzliche externe Komponenten. Zudem bietet er eine hohe Empfindlichkeit und Störunterdrückung, erlaubt eine Selbstkalibrierung und minimiert den Aufwand für den Empfindlichkeitsabgleich durch den Anwender. In den Bildern 3 und 4 sind die Blockdiagramme des PTC sowohl in der Konfiguration für Eigen- als auch für Gegenkapazität dargestellt.

Eine autonome Peripherie erfasst Berührungen und bietet mehrere Vorteile: Der Mikrocontroller kann andere Aufgaben ausführen oder die CPU kann in den Ruhemodus gehen, so dass der Gesamtstromverbrauch reduziert wird. Gerade der letzte Punkt ist heute ein wichtiger Aspekt für Haushaltsgeräte im Standby-Modus, bei denen die Leistungsaufnahme auf ein Minimum reduziert werden muss, die Bedienoberfläche jedoch nach wie vor noch schnell antworten soll.

Mit der Einführung des PTC wurde die Sensor-Abstimmung deutlich vereinfacht. Empfindlichkeit und Ansprechzeit werden über Register parametrisiert, auf die einfach über die Anwendungsfirmware zugegriffen werden kann. Hierzu sind nicht mehr externe Komponenten wie Kondensatoren oder Widerstände zu ändern; alles lässt sich durch die Einstellung der richtigen Verstärkung und der Filter mit Hilfe der QTouch-Bibliothek einfach anpassen. Die lizenzfreie QTouch-Bibliothek stellt mehrere Bibliotheksdateien für verschiedene Geräte zur Verfügung und unterstützt bis zu 256 Touch-Kanäle.

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