Touches sensitives

Les touches sensitives, appelées aussi touches à effleurement ou touch-control en anglais, permettent de commander un appareil, de changer de chaine d'un simple effleurement du doigt une touche métallique. Ce type de commande a fleuri dans les années 1970 - 1980, sur les postes de télévision, sur les tuners des chaines hifi, sur les radioréveils, sur les platines disque vinyl ou encore sur certains projecteurs de diapositives. Il existe plusieurs façon de procéder pour la détection du toucher et cette page explique les principes de base les plus souvent retenus ainsi que les principes les plus récents reposant sur l'emploi d'un microcontrôleur.

Détection par "double touche"

Ce type de détection impose que le doigt touche deux parties conductrices, afin d'y faire circuler un courant pouvant être détecté. Le principe repose sur le fait que le doigt présente une résistivité ohmique suffisamment "faible" pour permettre le passage d'un courant, bien sûr non dangereux pour l'utilisateur. Comme la résistivité ohmique d'une partie du corps humain n'est tout de même pas aussi faible que ça (quelques centaines de KO), le circuit électronique chargé de déceler la pose du doigt doit posséder une impédance d'entrée élevée. C'est pourquoi il est plus logique d'utiliser un transistor FET, une porte logique CMOS ou un AOP à entrées FET ou JFET. Les deux schémas qui suivent montrent que le procédé est très simple : une porte logique et une résistance de "rappel" vers le pôle positif de l'alimentation ou vers la masse suffisent en effet. La résistance sert simplement à fixer le potentiel à l'entrée du circuit intégré à l'état de repos, c'est à dire quand aucun doigt ne touche les zones sensibles.

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Avec le premier schéma (R1 sur +V), l'entrée de la porte logique est portée à l'état haut au repos, grâce à R1 reliée à +V, même si cette dernière possède une valeur élevée (en général au moins de 1 MO). La sortie est donc à l'état bas au repos. Quand le doigt touche les deux parties de la touche sensitive TS1, l'entrée du circuit intégré passe à l'état bas car la résistance offerte par le doigt est inférieure à la résistance R1, et la tension résultante au point médian est bien inférieure à la moitié de la tension d'alim +V (voir si nécessaire la page Diviseur résistif pour plus de détails). Avec le second schéma (R1 à la masse), l'entrée de la porte logique est portée à l'état bas au repos, grâce à R1 reliée à la masse. La sortie est donc à l'état haut au repos. Quand le doigt touche les deux parties de la touche sensitive TS1, l'entrée du circuit intégré passe à l'état haut car la résistance offerte par le doigt est inférieure à la résistance R1, et la tension résultante au point médian est bien supérieure à la moitié de la tension d'alim +V. La sensibilité de ce genre de procédé dépend des personnes, certaines étant plus "résistantes" que d'autres, mais donne globalement satisfaction et bénéficie d'une bonne fiabilité (risque faible de déclanchement intempestif). Un exemple pratique de ce genre de montage est décrit en page Détecteur toucher 2 et un autre exemple en est donné à la page Orgue 6.

Détection par "simple touche"

Nous sommes constamment baigné dans un environnement "pollué" d'un point de vue HF, et c'est cette particularité qui est mise à profit pour les touches à effleurement de type simples. Ne nous entoure bien sûr pas tout le temps toutes sortes de rayonnements, mais un est commun à bon nombre d'habitations : le 50 Hz de notre cher secteur EDF, qui prend malin plaisir à rayonner grâce aux divers câble d'alimentation électrique qui courent au travers des murs ou le long des plintes et font office d'antennes. Antennes d'émission donc composées par les câbles d'alimentation secteur. Très bien, mais où est l'antenne de réception ? La réponse est simple : c'est votre propre corps qui fait antenne. Sachant cela, votre corps, induit d'un courant HF, se voit porteur d'une source de tension de même fréquence que le signal capté, qui ne demande qu'à s'exprimer. Avez-vous déjà touché du doigt le bout d'une sonde d'oscilloscope avec le doigt ? Avez-vous déjà touché du bout du doigt l'entrée phono de votre chaine hifi ? Dans les deux cas, on met en évidence de façon flagrante la tension induite dont nous faisons l'objet. Sur l'oscilloscope on voit une jolie sinusoïde à 50 Hz (souvent bien déformée tout de même), et sur la chaine hifi on entend un splendide ronflement sonore. Profitons donc de cette énergie "gratuite" qui nous englobe de jour comme de nuit, et transmettons-là à un circuit amplificateur qui sera enchanté de délivrer un signal de bonne consistance.

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Le schéma qui précède montre le principe du système : on connecte un petit fil ou une petite pièce métallique à l'entrée d'un amplificateur BF, et on fait suivre ce dernier d'un petit système de redressement pour transformer le signal alternatif capté et amplifié en une tension continue plus facilement exploitable. Au repos, le niveau de champs HF capté par l'élément capteur TS1 est insuffisant et même amplifié, la tension disponible en sortie de l'ampli est faible. Mais dès que l'on pose le doigt sur TS1, notre corps transmet une tension électrique (majoritairement de fréquence 50 Hz) suffisamment élevée pour pouvoir être détectée et exploitée. En pratique, il est nécessaire de disposer d'un amplificateur possédant un gain assez élevé et de préférence ajustable, pour s'adapter facilement à l'environnement. Ce circuit fonctionne lui aussi assez bien, mais il ne faut pas que l'élément de détection soit trop gros si on veut éviter les déclanchements intempestifs (ne pas utiliser une plaque de un mètre carré, là ou une simple punaise suffit). Exemples en pages Détecteur toucher 6 et Détecteur toucher 7.

Détection par simple touche évoluée

Le système vu ci-avant est simple à réaliser mais peut poser quelques problèmes de sensibilité dans certains milieux "bruités" (notamment industriels). Pour cette raison, ont été développés des systèmes basés sur ce même principe de base, mais auxquels a été ajouté une fonction de filtrage. Cette fonction de filtrage repose sur deux principes :

- analyse de la fréquence du signal capté : on ne surveille que la fréquence de 50 Hz et on ignore toutes autres fréquences. Cette discrimination peut se faire via un filtre passe-bande, via un décodeur de tonalité à PLL spécialisé style LM567 ou encore avec un convertisseur fréquence / tension tel le LM2907 ou LM2917 comme indiqué en page Détecteur toucher 5.

- durée du signal capté : si la durée du signal capté avec force est très brève, on la considère comme un parasite et on ne la valide pas. En général, une durée de quelques centaines de millisecondes est requise pour considérer que le signal capté est une vraie commande. 

Certains circuits intégrés ont été spécialement conçus pour répondre à une fonction de touche sensitive avec grande fiabilité de fonctionnement, c'est le cas par exemple du circuit détecteur capacitif QT110, dont un exemple d'application est donné à la page Détecteur toucher 4. Il existe même des circuits à touche sensitive permettant la mise en ou hors fonction et la variation de l'intensité d'une lampe à incandescence, on parle alors de gradateur de lumière à touche sensitive, en exemple le Gradateur de lumière 10.

Utilisation d'un microcontrôleur ?

Il peut à première vue sembler curieux de faire appel à un microcontrôleur pour disposer de fonctions par touches sensitives, mais si on y regarde de plus près, on comprend vite l'intérêt qu'on peut en tirer. Les microcontrôleurs nécessitent pour fonctionner un logiciel, dans lequel on peut inclure un algorithme avancé pour la gestion de plusieurs touches sensitives, ce qui permet de "filtrer" de façon intelligente les commandes acquises. On peut ainsi utiliser deux touches sensitives pour trois commandes distinctes - ce qu'on peut aussi faire en logique câblée traditionnelle mais avec plus de composants. Microchip propose dans sa bibliothèque de composants, des microcontrôleurs des familles 18F et 24F qui comportent une fonction appelée CTMU et qui signifie Charge Time Measurement Unit pour Unité de mesure de temps de charge, parfaitement adaptée à des commandes par touches sensitives de type capacitive. Le principe est simple : le microcontrôleur intègre un générateur de courant constant qui charge un "condensateur" (ce courant peut avoir différentes valeurs mais reste toujours faible, de l'ordre de quelques uA). La tension aux bornes du condensateur, qui croit de façon linéaire et dépend de sa valeur capacitive et du temps, est appliquée à un convertisseur analogique / numérique pour mesure. Bien sûr le condensateur en question peut être déchargé quand il le faut pour permettre une mesure ultérieure. Lorsque l'utilisateur approche ou touche du doigt une surface conductrice reliée à une des entrées sensibles, la capacité parasite de cette dernière change et c'est ce changement qui est détecté. Le premier avantage que l'on peut tirer de l'emploi d'un microcontrôleur est tout de même le nombre de touches sensitives que l'on peut mettre en oeuvre avec un seul circuit intégré : un PIC doté de 16 entrées analogiques peut traiter à lui seul 16 touches ! Mais bien entendu il faut entrer dans le vif de la programmation...

Remarque : on peut aussi utiliser des touches "inductives" qui présentent certains avantages par rapport aux touches "capacitives" : possibilité de travailler avec des surfaces métal ou plastique, insensibilité aux projections d'eau, fonctionnement assuré même si l'utilisateur porte des gants.

Plus d'infos dans les notes d'application Microchip AN1101, AN1102 et AN1250 (vue générale), AN1317 (conseils pour usage en milieu difficile).
 

 

 

 

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