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Slider-/Key-Potentiometer SKP 100

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Aus ELVjournal 05/2008     0 Kommentare
Slider-/Key-Potentiometer SKP 100
Bausatzinformationen
ungefähr Bauzeit(Std.)Verwendung von SMD-Bauteilen.
- OK5/08

Inhalt des Fachbeitrags

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Technische Daten

Spannungsversorgungextern über Wannenstecker
Betriebsspannung5 VDC
Stromaufnahmeca. 40 mA
Abmessungen (B x H x T):
Taster- und Schleiferplatine73 x 54 x 2 mm
Controllerplatine73 x 54 x 2 mm
Frontplatte88 x 64 x 1 mm

Potentiometer und Schalter/Taster verschleißen bei jeder Benutzung, aber auch durch Umwelteinflüsse wie Staub, Luftfeuchtigkeit usw. Abhilfe schafft hier ein berührungslos und ohne mechanisch bewegte Elemente arbeitender Taster/Schleifer, das digitale Taster-/Slider-Potentiometer.

Ganz ohne Mechanik

Jeder kennt es, Potentiometer verschleißen ebenso wie Taster bei jeder Benutzung. Zusätzlich sind sie empfindlich gegen Verunreinigungen und sonstige klimatische Einflüsse. Dabei existiert eine funktionelle und universell einsetzbare Abhilfe: rein elektronisch arbeitende, berührungslose Taster/Schleifer, die verschleißfrei und extrem langlebig sind. Diese Funktion bietet u. a. der Sensor-Controller QT 1106 der Firma Quantum. Dieser verfügt über sieben Taster und daneben über eine Schleiferfunktion, dies es ihm ermöglicht, in Verbindung mit einem Potentiometer-IC als Potentiometer mit fein abgestuften Einstelleigenschaften zu fungieren. Zusätzlich verfügt der QT 1106 über weitere neuartige Schlüsseleigenschaften, die ihn für unser Slider-/Key-Potentiometer SKP 100 prädestinieren. Darunter z. B. das patentierte „Adjacent Key Suppression“, kurz AKS. Diese spezielle Erfassungsfunktion löst das Problem großer Finger, enger Tastenfelder und Bedienung mit Handschuhen: Wenn bei einer Tastenbetätigung mehr als ein Taster berührt wird, meldet der QT 1106 nur den dominantesten als gedrückt. Dabei spielen das Design und die Größe der Taster eher eine untergeordnete Rolle. Der QT 1106 verfügt darüber hinaus über eine automatische Driftkompensation und benötigt insgesamt nur eine spartanische externe Beschaltung aus wenigen Bauteilen. Das SKP 100 fasst ein Potentiometer-Bedienfeld und ein Tastenfeld mit vier Tasten + Entriegelungstaste (sichert gegen unbeabsichtigtes Schalten bei versehentlicher Näherung, z. B. bei Kindern) sowie eine Tastenstatus-Anzeige auf einem universell einsetzbaren Bedienfeld zusammen. Durch die Integration in ein IP-65-Gehäuse wird das SKP 100 zur wetter- und schmutzfesten Bedienbox, kann aber auch natürlich in eigene Bedienfelder, Frontplatten usw. integriert werden. Die Betriebsspannung kann das SKP 100 direkt aus der zu steuernden Schaltung beziehen.

Wie arbeitet das Detektorprinzip des QT 1106?

Bild 1: Das Funktionsprinzip des QT 1106
Bild 1: Das Funktionsprinzip des QT 1106
Der Sensor arbeitet nach dem Funktionsprinzip eines kapazitiven Näherungssen sors, bei dem ein elektrisches Feld durch das Annähern der menschlichen Hand, die bestimmte dielektrische Eigenschaften aufweist, verändert wird (Abbildung 1). Der QT 1106 lädt während der Kalibrierung zunächst die Berührungselektroden, die eine unbekannte Kapazität haben, mit einem bekannten Potential auf. Diese Elektrode ist typischerweise eine gedruckte Kupferfläche auf der Platinenunterseite (hier in Form von Tastern und einem Schleifer). Die Ladungsänderung wird in eine Mess-Schaltung übertragen. Durch ein- oder mehrfaches Laden und Messen kann die Kapazität der Berührungselektroden ermittelt werden. Wenn nun ein Finger die Oberfläche der Frontplatte im Bereich der Elektrode berührt, wirkt dies wie eine zusätzliche Kapazität und induziert eine Ladungsverschiebung an diesem Punkt. Dies wird vom QT 1106 als ein Tastendruck gewertet. Der QT-1106-Mikrocontroller ist zusätzlich übrigens auch in der Lage, im Nahbereich die Näherung eines Fingers in Richtung der Frontplatte zu detektieren.

Das Potentiometer-IC

Bild 2: Die Anschlüsse des ISL 95710
Bild 2: Die Anschlüsse des ISL 95710
Als eigentliches Potentiometer dient der ISl 95710 der Firma Intersil (Abbildung 2). Dieser Schaltkreis besteht aus einem Widerstandsfeld, Schleiferschaltern, einer Kontrolleinheit und einem nichtflüchtigen Speicher. Das Widerstandsfeld besteht aus 127 Widerstandselementen. Die Position des Schleifers wird durch eine Dreidrahtschnittstelle über die Ports DEVICE SELECT (CS), UP/DOWN (U/D) und INCREMENT (INC) gesteuert. Der Abgriff des Widerstandswertes wiederum erfolgt über RH (High), RW (Schleifer) und RL (Low). Die Speicherung der aktuellen Schleiferstellung und deren Wiederherstellung nach einem erneuten Gerätestart werden mithilfe eines nichtflüchtigen Speichers realisiert. Damit das Potentiometerverhalten mit dem Aufdruck der Frontplatte übereinstimmt, sind die Anschlüsse RH und RW wie in Abbildung 5 gezeigt zu wählen.

Kommunikation zwischen dem QT 1106, ATmega 88 und ISL 95710

Bild 3: Schleiferelement und Schleiferauflösung des QT 1106
Bild 3: Schleiferelement und Schleiferauflösung des QT 1106
Der QT 1106 kommuniziert mit dem ATmega-Mikrocontroller der Firma Atmel über ein Serial Peripheral Interface (SPI, synchroner, serieller Datenbus mit Master-Slave-Kommunikation zwischen einem Host-Controller und prinzipiell be liebig vielen, parallel geschalteten Busteilnehmern). Dabei wird durch die CHANGE-Leitung des QT 1106 eine Berührung der Taster oder des Schleifers angezeigt. Der Schleifer arbeitet mit einer eingestellten Auflösung (Abbildung 3) von 7 Bit. Die ermittelte Schleiferposition dient als Index für die Einstellung des Potentiometer-ICs, das über die bereits erwähnte Dreidrahtschnittstelle mit dem Mikrocontroller kommuniziert.

Frontplatte

Bild 4: Die universell einsetzbare Frontplatte des SKP 100. Für eine individuelle Gestaltung gibt es eine unbedruckte, transparente Frontplatte dazu.
Bild 4: Die universell einsetzbare Frontplatte des SKP 100. Für eine individuelle Gestaltung gibt es eine unbedruckte, transparente Frontplatte dazu.
Die Frontplatte (siehe Abbildung 4) des SKP 100 ist mit einer universellen Beschriftung versehen, die eine individuelle Einbaurichtung erlaubt. Die Schaltzustände der vier Kanäle werden mit jeweils zugeordneten LEDs gekennzeichnet. Die Funktion des Entriegelungstasters (Schlüsselsymbol) wird im Kapitel „Inbetriebnahme und Bedienung“ näher beschrieben, er sichert gegen unbeabsichtigtes Schalten bei versehentlicher Näherung. Die Schleiferfläche ist ebenfalls zweckdienlich beschriftet. Zusätzlich wird eine transparente Frontplatte mitgeliefert, die eine individuelle Gestaltung der Bedruckung erlaubt.

Schaltung

Bild 5: Die Gesamtschaltung des SKP 100
Bild 5: Die Gesamtschaltung des SKP 100
Die Schaltung (Abbildung 5) besteht aus zwei Teilen, dem Taster-/Schleifer-Teil und dem Controllerteil. Beide sind über Lötkontakte verbunden.

Controllerschaltung

Beginnen wir mit der Controllerplatine. Der QT 1106 (IC 1) samt Beschaltung und die übrigen Bauelemente verfügen jeweils über eine eigene Aufbereitung der Spannungsversorgung. Die Betriebsspannung von 5 V wird über den Wannenstecker zugeführt. Über die Verpolungsschutzdiode D 5 wird der Spannungsregler IC 8 mit der 5-V-Betriebsspannung versorgt. Er erzeugt die 3-V-Betriebsspannung für alle Schaltungsteile außer IC 1. Die Kondensatoren C 15 bis C 23 werden für die Siebung und Störunterdrückung verwendet, C 18 blockt Störungen unmittelbar an IC 2 ab. C 12 und C 13 dienen der Beschaltung des AVCC- und AREF-Eingangs des Mikrocontrollers. Der Potentiometerbaustein IC 3 benötigt für seine Funktion auch eine negative Versorgungsspannung, die vom IC 6 bereitgestellt wird. Die Kondensatoren C 15 bis C 17 dienen auch hier der Siebung, Störunterdrückung sowie der funktionellen Beschaltung des Spannungsreglers. Außerdem werden die Eingänge mit den Pull-up-Widerständen R 23 und R 24 beschaltet. Auch wird mit T 1 und R 25 für eine schaltbare Spannungsversorgung nach einem Reset gesorgt.

Mikrocontroller

Als auswertendes und steuerndes Element bildet der Mikrocontroller ATmega 88 der Firma Atmel das Herzstück des SKP 100. Der Mikrocontroller wird mit dem Reset-Widerstand R 15 beschaltet, dieser dient einem sicheren Start des Controllers beim Einschalten der Betriebsspannung. Auf der Controllerbzw. SPI-Seite legt R 13 die DRDY-Leitung und R 14 die CHANGE-Leitung bei Inaktivität und Reset auf „Low“-Pegel. Die Kommunikation zwischen dem QT 1106 (IC 1) und dem auswertenden und steuernden Mikrocontroller (IC 2) erfolgt über die bereits erwähnte SPI-Schnittstelle, zu der die Anschlüsse MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out), SCLK (Serial Clock Input) sowie zusätzlich die Leitung SS (Slave Select) gehören. Diese wird mit dem Pullup- Widerstand R 38 versehen. Während über die drei erstgenannten Busleitungen der normale Datenverkehr zwischen IC 2 und IC 1 abgewickelt wird, gehört es zu den Eigenheiten des SPI, dass der jeweilige Busteilnehmer (Slave) über die SS-Leitung angesprochen wird. Wenn ein Tas ter oder der Schleifer berührt wird, stellt sich auf der Change-Leitung (CHANGE) ein „High“- Potential ein. Wenn der QT 1106 anschließend bereit zur Datenübermittlung ist, geht die Ready-Leitung (DRDY) auf „High“ und sig nalisiert dem Controller, dass die Datenabfrage beginnen kann. Der sogenannte Voltage-Detection-IC (IC 5) wird über eine Widerstandsschaltung (R 21 und R 22) mit der externen Betriebsspannung versorgt. Diesem IC kommt bei einer Trennung der Versorgungsspannung die Aufgabe zu, rechtzeitig einen Interrupt im Mikrocontroller IC 2 auszulösen, um die Schleifer und Tasterdaten vom Controller speichern zu lassen. Als Pullup-Widerstand des entsprechenden Mikrocontrollerports dient hier R 20.

Schaltkanäle 1–4

Die Schaltung der Kanäle erfolgt technisch über die Transistoren T 2 bis T 4 und deren Widerstände R 30 bis R 37, dabei bilden die ungeraden Stifte des Wannensteckers 1, 3, 5 und 7 diejenigen, an die das durchzuschaltende Potential angelegt werden muss (max. 20 VDC). Die geraden Stifte 2, 4, 6 und 8 des Wannensteckers hingegen bilden die Ausgänge der Schaltkanäle.

Der QT 1106

Als Nächstes wollen wir genauer auf die Beschaltung des QT 1106 eingehen. IC 7 erzeugt exklusiv für IC 1 aus der Versorgungsspannung eine stabile 3-V-Spannung. Die Kondensatoren C 24 bis C 27 dienen auch hier der Siebung und Störunterdrückung, C 1 blockt Störungen unmittelbar an IC 1 ab. Die gewählten Werte für die sogenannten „Sample“-Kondensatoren (C 2–C 11) und Widerstände (R 1–R 10) sind durch die Hersteller-Applikationsvorschrift empfohlene Werte, die auf die hier verwendete Frontplatte abgestimmt sind. Der Bestückte Platinen des SKP 100 mit Bestückungsplan, links Controllerplatine, rechts Tast-/Schalterplatine QT 1106 bietet die Möglichkeit, seine Taktfrequenz zu spreizen, um die Empfindlichkeit gegen externes Rauschen zu erhöhen und gleichzeitig HF-Störungen zu reduzieren. Dazu werden die Ausgänge OSC und SPREAD des QT 1106 mit R 11, R 12 und C 28 beschaltet.

Taster- und Schleiferschaltung

Die eigentlichen Schleifer und die Tasten bestehen aus Leiterplattenflächen, die an R 5, R 6 und R 7, bzw. R 1 – R 4, R 8 und R 10 angeschlossen sind. Insgesamt ist der Baustein für 7 Tasten vorgesehen, wobei in unserem Fall aber nur 6 genutzt werden. Die Schleiferfläche bildet in sich verzahnte Leiterplattenflächen (s. Abbildung 3). Ebenfalls befinden sich die vier Status-Leuchtdioden D 1 – D 4 in dieser Schaltung. Diese zeigen den Status der vier Schaltkanäle an (an = durchgeschaltet, aus = gesperrt). Als Vorwiderstände kommen R 16 – R 19 zum Einsatz. Kommen wir nun zum Aufbau dieser interessanten Schaltung.

Nachbau

Beim SKP 100 kommen auf beiden Leiterplatten nahezu ausschließlich Bauelemente in SMD-Ausführung zum Einsatz, die bereits ab Werk bestückt sind. Daher beginnt der Zusammenbau mit dem Verlöten des Wannen steckers. Dessen Kontakte sind so in die Controllerplatine (Bestückungsseite) einzusetzen, dass der Steckerkörper völlig plan auf der Platine aufliegt. Erst dann sind seine Kontakte auf der Lötseite mit reich lich Lötzinn zu verlöten. Anschließend erfolgt die Verbindung der Taster- und Schleiferplatine mit der Controllerplatine.
Bild 6: Verbindung der Taster- und Schleiferplatine
Bild 6: Verbindung der Taster- und Schleiferplatine
Bild 7: Aufgeklebte Frontplatte
Bild 7: Aufgeklebte Frontplatte
Dies erfolgt angewinkelt in einem Winkel von 45° (siehe Abbildung 6). Als letzter Schritt ist die Frontplatte aufzukleben, dabei ist die richtige Montagerichtung zu beachten (siehe Abbildung 7). Die Ausrichtung erfolgt dabei anhand der LEDs. Wenn allerdings die transparente Variante gewählt wird, muss zunächst das durch den Benutzer bedruckte Frontlabel und dann erst die Frontplatte aufgebracht werden. Zum Schluss noch einige Hinweise zur Montage des Flachbandkabels auf den in den Wannenstecker zu steckenden Pfostenverbinder. Eine Seite des Flachbandkabels ist mit einem Pfostensteckverbinder zu ver sehen. Auf dessen Messerkontakte ist das Flachbandkabel aufzuquetschen. Dafür setzt man zweckmäßigerweise eine spezi elle Quetschzange ein. Aber auch das Aufpressen mithilfe eines Schraubstocks ist möglich, da auch hier die Kraftübertragung gleichmäßig über die gesamte Kabelbrei te erfolgt. Das Flachbandkabel ist gerade in den Pfostenverbinder zu legen, und an schließend werden beide Hälften des Pfos tenverbinders langsam und vorsichtig zu sammengequetscht. Das überstehende Ka belende schneidet man mit einem scharfen Messer direkt am Stecker ab. Zur Identifizierung von Pin 1 ist am Pfostenverbinder eine kleine Markierung angebracht.

Montage, Inbetriebnahme und Bedienung

Bild 8: Einsatzvariante für den robusten Außenbetrieb – das SKP 100 ist in einem wasserdichten IP-65-Gehäuse untergebracht. Die Befestigung im Gehäuse erfolgt durch die aufgeklebte Frontplatte.
Bild 8: Einsatzvariante für den robusten Außenbetrieb – das SKP 100 ist in einem wasserdichten IP-65-Gehäuse untergebracht. Die Befestigung im Gehäuse erfolgt durch die aufgeklebte Frontplatte.
Bild 9: Sicher vor unbeabsichtigter Bedienung – die Einzeltasten sind nur in Kombination mit der Entriegelungstaste auslösbar.
Bild 9: Sicher vor unbeabsichtigter Bedienung – die Einzeltasten sind nur in Kombination mit der Entriegelungstaste auslösbar.
Bei der Inbetriebnahme ist zu beachten, dass die Taster- und Schleiferplatine mit einem Mindestabstand von 15 mm zur nächsten Platine oder einem Gehäuse montiert werden muss. In Abbildung 8 ist ein möglicher Einsatzort des SKP 100 zu sehen. Dabei erfolgte der Einbau in ein IP-65-Gehäuse. Hier wurde das SKP 100 über die Frontplatte mit dem Gehäuse verbunden. Somit ist eine wetter- und schmutzfeste Schaltung entstanden. Im Betrieb kann entweder der Schleifer mit einer typischen Bewegung geregelt werden oder auch durch Drücken des gewünschten Bereiches. Bei der Auswahl der Schaltkanäle ist zu beachten, dass der gewünschte Kanal immer nur zusammen mit der Schaltfläche mit dem Schlüsselsymbol (Entriegelungstaster, siehe Abbildung 9) ausgelöst wird. Damit wird unbeabsichtigtes Schalten, z. B. durch versehentliche Annäherung, vermieden.




Bestückte Platinen des SKP 100 mit Bestückungsplan, oben Controllerplatine, unten Tast-/Schalterplatine
Bestückte Platinen des SKP 100 mit Bestückungsplan, oben Controllerplatine, unten Tast-/Schalterplatine

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