電容式觸摸感應器
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
電容式感應開(kāi)關(guān)是一個(gè)非常有吸引力的開(kāi)關(guān)，但它需要適當的物理尺寸，以及在典型的電容式傳感器設計中使用一個(gè)3毫米或更薄的薄膜疊層。隨著(zhù)薄膜疊層厚度的增加。通過(guò)薄膜疊層來(lái)感應手指會(huì )而變得越來(lái)越困難。換言之，薄膜疊層厚度的增加，調諧系統的處理過(guò)程就從”科學(xué)技術(shù)”轉到了”設計技巧”上了。為了演示如何使一個(gè)電容式傳感器突破當今技術(shù)的限制，在此示例系統中使用的玻璃覆蓋的厚度定為10毫米。玻璃具有易于使用、容易獲得和透明的特點(diǎn)，你可以看到在玻璃下面的傳感器的電路焊盤(pán)。玻璃覆蓋層也在所謂的“白色家電”(家用電器)中直接應用。
1．手指電容
任何電容傳感系統的核心都是一組與電場(chǎng)相互作用的導電體。人體的組織充滿(mǎn)導電電解質(zhì)，這些電解質(zhì)被人體表皮所覆蓋，人體表皮是有損耗的絕緣體。這種手指導電性使得電容式觸摸感應成為可能。
一個(gè)簡(jiǎn)單的平行板電容器有兩個(gè)被介質(zhì)層分開(kāi)的導體。在這個(gè)系統的大部分能量都集中在兩個(gè)平行板塊之間，但還是會(huì )有部分能源溢出到電容器兩個(gè)板之外，與這種效應相關(guān)的電場(chǎng)線(xiàn)被稱(chēng)為電場(chǎng)邊緣場(chǎng)。生產(chǎn)出實(shí)用的電容式傳感器面臨的挑戰之一就是要設計出一組印刷電路的走線(xiàn)。這種走線(xiàn)方法能使用戶(hù)獲取到一個(gè)有效的感應區域。對于這種傳感器模式。平行板電容器并不是很好的選擇。
在邊緣電場(chǎng)附近放置一個(gè)手指會(huì )增加電容系統的導電表面面積。由手指引起的額外電荷存儲容量通常被稱(chēng)為手指電容(Cf)。沒(méi)有手指放在表面時(shí)傳感器的電容在本文中用Cp表示。它代表寄生電容。
有一個(gè)有關(guān)電容式傳感器常見(jiàn)的誤解是，為了能讓系統工作，手指需要與地連接。手指之所以可以被系統感覺(jué)，因為手指是帶電的，當手指浮動(dòng)或接地時(shí)。系統都能感受到。
2．傳感器的PCB布局
圖1顯示了印刷電路板(PCB)的頂視圖，在這個(gè)設計例子中，此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10毫米，相當于一個(gè)成年人指尖的平均尺寸。此演示電路的PCB板包括中心間距20毫米的4個(gè)上述設計方法的按鈕。如圖所示，頂層連接著(zhù)接地面。該傳感器焊盤(pán)與接地面之間間隔著(zhù)一個(gè)均勻的空隙。該間隙的大小是一個(gè)重要的設計參數。如果差距設置太小，太多的場(chǎng)能量會(huì )直接轉到地層。如果設置過(guò)大，場(chǎng)能會(huì )直接穿過(guò)疊層，而失去控制。0.5毫米大小的間隙對于引導邊緣場(chǎng)通過(guò)10mm玻璃覆蓋層是最佳間距。
圖2顯示了同一種樣感應模式的一個(gè)截面圖。
在PCB上通過(guò)一個(gè)過(guò)孔將感應器焊盤(pán)連接到電路板底層的一條走線(xiàn)上，如圖2所示。當電場(chǎng)嘗試著(zhù)尋找回地的最短路徑時(shí)，介電常數εr會(huì )影響到材料中電場(chǎng)能量的緊密程度。標準窗口玻璃的介電常數大約為8，而PCB的FR4材料介電常數大約為4。通常使用在白色家電商品上的高硬度玻璃的介電常數則約為5。在這個(gè)設計實(shí)例中，使用的是標準窗戶(hù)玻璃。要注意的是，玻璃板是用3M公司的不導電黏合膠帶468-MP安裝在電路板上的。
3．電容式傳感101
一個(gè)電容式傳感系統的基本組成元件，是一個(gè)可編程電流源，一個(gè)精確的模擬比較電路，以及一個(gè)模擬多路復用總線(xiàn)。該總線(xiàn)可通過(guò)一個(gè)電容式傳感器陣列進(jìn)行排序。本文中所介紹的系統中的弛張振蕩器作為電容傳感器。這個(gè)振蕩器的簡(jiǎn)化電路圖如圖3所示。
該比較器的輸出被作為一個(gè)脈沖寬度調制器(PWM)電路的時(shí)鐘輸入信號，它負責選通一個(gè)頻率為24兆赫茲的16位計數器。手指接觸傳感器時(shí)會(huì )增加電容，從而增加計數器的總值。這就是一個(gè)手指如何被感覺(jué)到方式。這個(gè)系統的典型波形如圖4所示
圖5中顯示了實(shí)現這一項目的電路原理圖。
為實(shí)現電容式傳感和串行通信，電路設計中采用了賽普拉斯公司的CY8C21x34系列的PSoC芯片，其中包含了一組模擬和數字功能模塊，它們由存儲在板載閃存中的固件來(lái)設置。第二個(gè)芯片處理RS232電平移位，以提供與一臺主機的通信鏈路，使電容式傳感數據記錄通過(guò)串口以115200波特率傳輸給主機。四個(gè)電容傳感按鍵的引腳分配顯示在圖5中的表中。通過(guò)ISSP接口和編程引腳SCL、SDA對PSoC進(jìn)行編程。ISSP接口中包含電源和地，而PC主機連接到電容式傳感電路板通過(guò)標準的DB9連接器。
4．調整傳感器
每次調用上列程序中的調用函數CSR_1_Start()時(shí)，均對Button1的電容進(jìn)行測量。原始計數值被存儲于CSR_1_iaSwResult[]陣列中。用戶(hù)模塊還跟蹤一個(gè)用于原始計數的基線(xiàn)。每個(gè)按鍵的基線(xiàn)值均為一個(gè)由軟件中的IIR濾波器進(jìn)行周期性計算的平均原始計數值。IIR濾波器的更新速率是可編程的?；€(xiàn)使得系統能夠適應于由于溫度和其它環(huán)境影響而引起的系統中的漂移。
開(kāi)關(guān)差分陣列CSR_1_iaSwDiff[]包含消除了基線(xiàn)偏移的原始計數值。利用開(kāi)關(guān)差值來(lái)決定按鍵目前的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。這可使系統的性能保持恒定，即便在基線(xiàn)有可能隨著(zhù)時(shí)間的推移而發(fā)生漂移的情況下也是如此。
圖6顯示了固件中實(shí)現的差分計數與按鍵狀態(tài)之間的轉移函數。
該轉移函數中的遲滯提供了開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的干凈利落的轉換，即使計數是有噪聲的情況下也不例外。這也為按鍵提供了一種反跳功能。低門(mén)限被稱(chēng)為“噪聲門(mén)限”，而高門(mén)限則被稱(chēng)為“手指門(mén)限”。門(mén)限水平的設定決定了系統的性能。當覆蓋層非常厚時(shí)，信噪比很低。在此類(lèi)系統中設定門(mén)限水平是一項具有挑戰性的工作，而這恰好是電容式傳感設計技巧的一部分。
圖7顯示了一個(gè)持續時(shí)間為3秒的按鍵觸壓操作的理想原始計數波形。
同時(shí)還給出了門(mén)限值。噪聲門(mén)限被設定的計數值為10，而手指門(mén)限設定的計數值則為60。實(shí)際上，在實(shí)際計數數據中始終存在噪聲分量，圖中并未顯示，以便能清晰地顯示門(mén)限水平。
部分調整過(guò)程還包括選擇電流源DAC的電平以及設置用于計數累加的振蕩器周期數。在固件中，函數CSR_1_SetDacCurrent(200,0)把電流源設定在其低電流范圍內，數值為200(最高255)，大約對應于14μA。函數CSR_1_SetScanSpeed(255)把振蕩器周期數設定為253(255－2)。原始計數和差分計數的分析表明：該系統的寄生引線(xiàn)電容CP約為15pF而手指電容CF約為0.5pF?？梢?jiàn)，手指電容使總電容產(chǎn)生了約3%的變化。對于每個(gè)按鍵，每個(gè)原始計數值的采集所需要的時(shí)間僅為500μs。
測量性能
電容式傳感系統的性能測量結果示于圖8中。
通過(guò)一個(gè)終端仿真程序，在主PC上獲得差分計數，然后借助電子制表軟件加以繪制。將手指放置在10mm厚的玻璃覆蓋層上，并持續3秒的時(shí)間。按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)被疊加在原始計數上。按鍵在這兩種狀態(tài)之間干凈利落地轉換，即使是由于通過(guò)厚玻璃進(jìn)行檢測而使原始計數信號中具有較大的噪聲時(shí)也是如此。請注意手指和按鍵門(mén)限隨著(zhù)基線(xiàn)的漂移而進(jìn)行周期性調整。當檢測到手指的觸壓動(dòng)作時(shí)，基線(xiàn)值將鎖定，直到手指移開(kāi)為止。
圖9顯示了兩種狀態(tài)轉換處的局部細節圖。
在圖9a中，按鍵初始狀態(tài)為斷(OFF)狀態(tài)。超過(guò)手指門(mén)限的差分計數的第一個(gè)采樣把按鍵狀態(tài)轉換至通(ON)狀態(tài)。在圖9b中，低于噪聲門(mén)限的差分計數的第一個(gè)采樣將按鍵轉換至斷狀態(tài)。
與機械式開(kāi)關(guān)相比，基于電容的觸摸傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是耐用性好，不易損壞，可以長(cháng)期使用?；旌闲盘柤夹g(shù)的近期發(fā)展，不僅使得觸摸式傳感器的成本在各種消費類(lèi)產(chǎn)品中降到了具有成本效益的水平，而且還提高了檢測電路的靈敏度和可靠性(因為增加了覆蓋層的厚度和耐用性)。利用本文介紹的設計方法，說(shuō)明通過(guò)一個(gè)10mm的玻璃來(lái)檢測手指的按鍵觸壓是可能的，并利用基于噪聲門(mén)限和手指門(mén)限的反跳法，實(shí)現了按鍵開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的干凈利落的轉換，從而使電容式觸摸傳感器成為機械式開(kāi)關(guān)元件的一種實(shí)用型替代方案。
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