Mit dem Controller-Baustein MPR121 steuern Sie kapazitive Näherungssensoren. Damit lassen sich berührungslos über die Veränderung eines elektrischen Felds Schaltvorgänge auslösen.
Den Controller-Baustein MPR121 liefert der Hersteller ausschließlich in einem bastlerunfreundlichen QFN20-Gehäuse. Der Chip misst lediglich drei mal drei Millimeter – bei einem so kleinen Halbleiter besteht nicht nur die Gefahr des Verschluckens, man könnte ihn bei dieser Größe sogar einatmen. Die Lötverbindungen befinden sich auf der Rückseite, das Pinout zeigt Abbildung 1.
Abbildung 1: Der Anschlussplan des MPR121-Bausteins.
Zum Glück offerieren verschiedene Hersteller eine Platine [1], auf der sich der MPR121 befindet (Abbildung 2). Die Bestellung erweist sich allerdings als kleines Abenteuer. Dafür erhält man das Modul direkt aus China für knapp über 1 Euro inklusive Versand, bei Amazon schlägt dasselbe Modell mit 20 Euro zu Buche.
Abbildung 2: Dank der guten Beschriftung fällt es auch weniger versierten Bastlern nicht schwer, das MPR121-Modul anzuschließen.
Egal, für welche der Möglichkeiten Sie sich entscheiden: Achten Sie auf die Lieferzeit. Dabei besteht keinerlei Garantie, dass die teurere Variante auch früher auf dem Basteltisch liegt.
Kapazitive Sensoren in der Praxis
Das Prinzip, das hinter der Funktionsweise kapazitiver Sensoren steht, ist die Veränderung eines elektrischen Feldes. Anders ausgedrückt: Der Sensor misst die elektrische Kapazität seines Umfelds. Verändert sich diese, deutet das darauf hin, dass sich ein Körper nähert. Das löst den Schaltvorgang des Sensors aus.
Dieser Typ Sensor kommt häufig in explosionsgefährdeten Industrieanlagen zum Einsatz, weil er sich komplett gekapselt fertigen lässt und somit keine Gefahr einer Explosion durch einen Schaltfunken besteht. Ein weiteres Einsatzgebiet stellen Umgebungen dar, in denen sich normale Kontakte chemisch zersetzen würden.
Da kapazitive Sensoren auf eine Störung ihres elektrischen Felds reagieren, eignen sie sich auch dazu, beliebige Werkstoffe zu erkennen – nicht nur solche aus Metall, wie bei den induktiven Sensoren.
Interna
Der MPR121 arbeitet in einem Betriebsspannungsbereich von 1,7 bis 3,6 Volt bei einer Stromaufnahme von minimal 8 und maximal 400 Mikroampere. Damit eignet er sich hervorragend als Komponente für mobile Geräte oder eben einen Raspberry Pi.
Er verfügt über zwölf Sensoreneingänge, von denen sich bis zu acht als GPIOs verwenden lassen. Über den Adress-Pin (ADDR) wählen Sie eine von vier möglichen I2C-Adressen für den Halbleiter aus (0x5Ah, 0x5Bh, 0x5Ch, 0x5Dh). Die Tabelle “I2C-Adressen” zeigt die entsprechende Zuordnung.
I<+>2<+>C-Adressen
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ADDR |
I2C-Adresse |
|---|---|
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VSS |
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VDD |
|
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SDA |
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SCL |
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Die Module führen die meisten der Pins heraus. Intern arbeitet der MPR121 mit 128 Registern. Das liegt daran, dass sich für jeden der zwölf Eingänge unterschiedliche Parameter einstellen lassen. Diese bestimmen das Verhalten des Eingangs.
Die Beschreibung aller Register des MPR121 würde den Umfang dieses Artikels sprengen. Daher reduzieren wir unsere Ausführungen auf die Beschreibung für einen einfachen induktiven Sensor. Das Datenblatt mit allen verfügbaren Registern finden Sie auf der Webseite des Herstellers [2].
Die Register 0x00 und 0x01 dienen dazu, den Status der einzelnen Eingänge auszulesen. Damit das funktioniert, müssen Sie den Sensor erst entsprechend konfigurieren. Die Register 0x41 bis 0x5A definieren die Schaltschwellen, bei denen er auslöst. Die Register 0x2B bis 0x40 dagegen legen die Charakteristik der Eingänge fest.
Testaufbau
Da sich der Testaufbau trivial gestaltet, brauchen Sie dafür keinen gesonderten Schaltplan. Sie verbinden einfach die Anschlüsse SDA, SCL, GND und 3,3V des Raspberry Pi mit den entsprechenden Anschlüssen des Moduls – dank der guten Beschriftung eine leichte Aufgabe. Die Eingänge des MPR121-Moduls koppeln Sie mit den Sensoren. Dieser Aufbau genügt bereits, um mit einfachen Experimenten zu starten.
