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電容式觸摸感應的技巧
作者：
時(shí)間：2016-12-16
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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觸摸傳感器被廣泛使用已經(jīng)有很多年了，不過(guò)，混合信號可編程器件的近期發(fā)展使得電容式觸摸傳感器在眾多消費類(lèi)產(chǎn)品中都成為了機械式開(kāi)關(guān)的一種實(shí)用、增值型替代方案。本文將粗略地介紹一種可透過(guò)一層厚玻璃覆蓋物來(lái)激活的觸摸感應式按鈕的設計實(shí)例。典型的電容式傳感器設計所規定的覆蓋物厚度為3mm 或更薄。隨著(zhù)覆蓋物厚度的增加，透過(guò)一層覆蓋物來(lái)檢測手指的觸摸將變得越來(lái)越困難。換句話(huà)說(shuō)，伴隨著(zhù)覆蓋物厚度的增加，系統調整的過(guò)程將從“科學(xué)”走向“技巧”。為了說(shuō)明如何制作一個(gè)能夠提升當今技術(shù)極限的電容式傳感器，在本文所述的實(shí)例中，玻璃覆蓋物的厚度被設定為10mm。玻璃易于使用，購買(mǎi)方便，而且是透明的（因此您可以看到位于其下方的金屬感應墊）。玻璃覆蓋物還被直接應用于白色家電。
手指電容
所有電容式觸摸感應系統的核心部分都是一組與電場(chǎng)相互作用的導體。人體組織中充滿(mǎn)了覆蓋著(zhù)一層皮膚（這是一種有損電介質(zhì)）的導電電極。正是手指的導電特性使得電容式觸摸感應成為可能。
簡(jiǎn)單的平行片電容器具有兩個(gè)導體，其間隔著(zhù)一層電介質(zhì)。該系統中的大部分能量直接聚集在電容器極板之間。少許能量會(huì )溢出至電容器極板以外的區域中，而與該效應相關(guān)的電場(chǎng)線(xiàn)被稱(chēng)為“邊緣場(chǎng)”。制作實(shí)用電容式傳感器的部分難題是：需要設計一組印刷電路走線(xiàn)，以便將邊緣場(chǎng)引導至一個(gè)用戶(hù)可以夠得到的有效感應區域。對于這樣一種傳感器模式來(lái)說(shuō)，平行片電容器并非上佳之選。
把手指放在邊緣電場(chǎng)的附近將增加電容式系統的導電表面積。由手指所產(chǎn)生的額外電荷積聚電容被稱(chēng)為手指電容CF。在本文中，無(wú)手指觸摸時(shí)的傳感器電容用CP 來(lái)表示，它代表寄生電容。
關(guān)于電容式傳感器的一個(gè)常見(jiàn)的誤解是：為了使系統正常工作，手指必需接地。手指是可以檢測到的，因為它會(huì )保存電荷（而在手指浮置或接地時(shí)都將產(chǎn)生這種現象）。
傳感器的PCB布局
圖1 示出了一塊印刷電路板（PCB）的頂視圖，在本設計實(shí)例中，該PCB 實(shí)現了其中的一個(gè)電容式傳感器按鈕。該按鈕的直徑為10mm，這是一個(gè)成人指尖的平均大小。為該演示電路而組裝的PCB 包含4 個(gè)按鈕，它們的中心相隔20mm。如圖所示，接地平面也位于頂層。金屬感應墊和接地平面之間設置了一個(gè)均勻的隔離間隙。該間隙的尺寸是一個(gè)重要的設計參數。如果間隙設置得過(guò)小，則過(guò)多的電場(chǎng)能量將直接傳遞至地。而如果間隙設置得過(guò)大，則將無(wú)法控制能量穿越覆蓋物的方式。選擇0.5mm 的間隙尺寸可以很好地使邊緣場(chǎng)透過(guò)10mm 厚的玻璃覆蓋物。
圖2 示出了同一種傳感器模式的截面圖。如該圖所示，PCB 中的一條通路將金屬感應墊與電路板底面上的走線(xiàn)相連。當電場(chǎng)試圖找到最短的接地路徑時(shí)，介電常數εr 將對材料中的電場(chǎng)能量充填密度產(chǎn)生影響。標準窗戶(hù)玻璃的εr 約為8，而采用FR4 材料制成的PCB 的εr 則在4 左右。白色家電中常用的Pyrex?（派萊克斯）玻璃具有數值大約為5 的εr。在本設計實(shí)例中，采用的是標準的窗戶(hù)玻璃。需要注意的是，玻璃片是采用3M公司的468-MP 絕緣膠膜安裝在PCB 上的。
CapSense 101
電容式觸摸感應系統的基本元件是：一個(gè)可編程電流源、一個(gè)精密型模擬比較器和一根可通過(guò)一組電容式傳感器進(jìn)行排序的模擬多路復用器總線(xiàn)。在本文給出的系統中，一個(gè)弛張振蕩器起著(zhù)電容傳感器的作用。該振蕩器的簡(jiǎn)化電路示意圖見(jiàn)圖3。
比較器的輸出被饋入一個(gè)PWM的時(shí)鐘輸入，該PWM 負責對一個(gè)時(shí)鐘頻率為24MHz 的16 位計數器進(jìn)行選通。觸摸按鍵的手指使電容增大，從而導致計數值增加。手指就是以這樣的方式來(lái)檢測的。該系統的典型波形示于圖4。
圖5 給出了該項目的一種可實(shí)現方案的示意圖。為了實(shí)現電容式觸摸感應和串行通信，該電路采用了賽普拉斯的 CY8C21x34 系列PSoC芯片，該芯片包含一組模擬和數字功能塊，這些功能塊可由存儲于板上閃存中的固件來(lái)配置。另一顆芯片負責處理RS232 電平移動(dòng)，旨在提供至主機的通信鏈接，并實(shí)現115,200 波特的電容式觸摸感應數據記錄。PSoC是通過(guò)ISSP 頭（包含電源、地）以及編程引腳SCL和SDA 來(lái)編程的。主PC 通過(guò)一個(gè)DB9連接器與電容式觸摸感應電路板相連。
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