מודול FDC2214 חיישן שינוי קיבולי 4 ערוצים 28 ביט

ה-FDC2214 (מבית Texas Instruments) הוא רכיב Capacitance-to-Digital Converter (CDC) מתקדם ברזולוציה גבוהה (28-bit), המיועד למדידה מדויקת של שינויי קיבול קטנים מאוד. המודול המדובר מנצל 4 ערוצי מדידה רזוננטיים (LC resonating architecture) כדי לזהות שינויים בקיבול החשמלי בסביבת האלקטרודות.

יישום של ספירת דפים/נייר מתבצע על ידי מדידת הדיאלקטריות והעובי של ערימת הנייר העוברת בין האלקטרודות – כל דף נייר שמתווסף או נגרע משנה את המקדם הדיאלקטרי $K$ ואת המרחק/קיבול, מה שמשנה את תדר התהודה של מעגל ה-LC המחובר למודול.

מפרט ונתונים:

• מתח עבודה: 2.7V עד 3.6V (תואם 3.3V לוגי)
• ממשק תקשורת: I2C
• טווח תדר עבודה: 1kHz – 10MHz
• רזולוציה: 28 ביט (דיוק גבוה במיוחד למדידות פמיטו-פאראד fF)
• מספר ערוצים: 4 ערוצי מדידה עצמאיים (Multiplexed)
• טכנולוגיית מדידה: מדידת תדר רזוננטי של מעגל LC חיצוני
• חסינות לרעש: סינון רעשים אלקטרומגנטיים (EMI) מובנה ע"י ארכיטקטורת LC

עקרון הפעולה בספירת נייר / זיהוי עובי

1. מעגל תהודה (LC Oscillator): לכל ערוץ במודול מחוברים סליל (L) וקבל (C המהווים מעגל תהודה. האלקטרודה/משטח הגילוי מהווה חלק מהקיבול C.

2. שינוי קיבול (C_sensor): כשהנייר עובר ליד האלקטרודה או בין שני משטחים מוליכים, הנייר משנה את הקיבול הכולל:

   C = epsilon_0 x epsilon_r x A/d

   שינוי במספר הדפים משנה את המקדם הדיאלקטרי (epsilon_r) והעובי (d).

3. המרת תדר למידע דיגיטלי: השבב מודד את תדר התהודה f_sensor המשתנה לפי הנוסחה:

   ((f_sensor = 1/(2 x pi x sqrt(L x C}}

   התדר מתורגם למספר דיגיטלי ב-28 ביט המשודר ב- I2C למפתח (ESP32, STM32, Arduino וכו').

יישומים נפוצים

• ספירת נייר/שטרות: זיהוי מדויק של מספר הדפים בערימה או גילוי הזנה כפולה (Double-feed detection) במכונות צילום/מדפסות.
• גילוי מגע/קרבה ללא מגע (Proximity & Touch): זיהוי ידים/אובייקטים ממרחק במערכות ממשק אדם-מכונה (HMI).
• מדידת מפלס נוזלים: מדידה רציפה של גובה נוזל במיכלים ללא מגע ישיר.
• חיישן חומרים (Material Characterization): הבדלה בין חומרים שונים לפי המקדם הדיאלקטרי שלהם.

דגשי חיבור ופיתוח

• מתח לוגי: הרכיב עובד במתח 3.3V. בחיבור לבקרים של 5V (כמו Arduino Uno) חובה להשתמש בממיר רמות לוגיות (Logic Level Shifter) בקווי ה-I2C.
• תכנון אלקטרודות: דיוק המדידה תלוי גיאומטרית בצורת משטחי הנחושת/האלקטרודות. מומלץ להשתמש בסיכוך Ground Guard מסביב לאלקטרודה למניעת השפעת קיבול טפילי מהסביבה.
• ספריות קיימות: קיימות ספריות מוכנות ל-Arduino / STM32 (כגון Adafruit_FDC2214 או ספריות קוד פתוח ב-GitHub) המפשטות את אתחול הרכיב וקריאת התדר מערוצים 0–3.