電容式觸摸傳感器的設計技巧
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觸摸傳感器的廣泛使用已經(jīng)有很多年了。不過(guò)，隨著(zhù)近期混合信號可編程器件的發(fā)展，使得電容式觸摸傳感器成為各種消費電子產(chǎn)品中機械式開(kāi)關(guān)的一種實(shí)用、增值型替代方案。
對于典型的電容式傳感器，規定其覆蓋層的厚度為3mm或更薄。隨著(zhù)覆蓋層厚度的增加，來(lái)傳感手指的觸摸將變得越來(lái)越困難。換句話(huà)說(shuō)，伴隨著(zhù)覆蓋層厚度的增加，系統調整過(guò)程將必須從“科學(xué)”跨越到“精益求精”。為了說(shuō)明如何制作一個(gè)能夠提升目前技術(shù)極限的電容式傳感器，在本文所述的實(shí)例中，選用玻璃覆蓋層的厚度為10mm。玻璃易于使用，購買(mǎi)方便，而且是透明的，因此您可以看到下面的感應墊。玻璃覆蓋層還被直接應用于白色家電。
手指電容
所有電容式觸摸傳感系統的核心部分都是一組與電場(chǎng)相互作用的導體。在皮膚下面，人體組織中充滿(mǎn)了傳導電解質(zhì)(一種有損電介質(zhì))。正是手指的這種導電特性，使得電容式觸摸傳感成為可能。
簡(jiǎn)單的平行板電容器具有兩個(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 )泄露到電容器極板以外的空間，而由這些泄露能量所形成的電場(chǎng)被稱(chēng)為“邊緣場(chǎng)”。制作實(shí)用電容式傳感器的部分難題在于：需要設計一組印制導線(xiàn)，將上述的邊緣場(chǎng)引導到用戶(hù)易接近的有效感應區域中。顯然，對于這種傳感器模式來(lái)說(shuō)，平行板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傳感系統的導電表面積。由手指所產(chǎn)生的額外電荷存儲容量就是已知的手指電容CF。無(wú)手指觸摸時(shí)的傳感器電容用CP來(lái)表示。在本文中，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，手指必須接地。實(shí)際上，手指被傳感的原因在于它帶有電荷，而這與其是否懸空或接地完全無(wú)關(guān)。
傳感器的PCB布局
圖1顯示了一塊PCB的頂視圖，該PCB實(shí)現了本例中的一個(gè)電容式傳感器按鍵。
圖1：傳感器的PCB頂視圖(online)
圖2顯示了同一種傳感器模式的截面圖。
圖2：傳感器的PCB和覆蓋層截面圖
電容式傳感系統101
該電容式傳感系統的基本元件包括：一個(gè)可編程電流源、一個(gè)精密模擬比較器和一根用來(lái)按順序傳輸一組電容式傳感器信號的多路復用總線(xiàn)。在本文所討論的系統中，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)化電路示意圖如圖3所示。
圖3：電容式傳感弛張振蕩器電路
圖4：電容式傳感弛張振蕩器電路的波形
圖5：電容式傳感電路原理圖
PSoC利用程序固件來(lái)配置，還采用一個(gè)5V工作電源和一個(gè)內部生成的24MHz系統時(shí)鐘。對該24MHz時(shí)鐘進(jìn)行1:26分頻，產(chǎn)生一個(gè)為實(shí)現115,200波特率的TX8模塊時(shí)鐘。電容傳感用戶(hù)模塊選擇以“周期法”(Period Method)來(lái)運行，在該工作模式中，計數在固定數量的弛張振蕩器周期中累加。換言之，16位計數器值代表了一個(gè)與傳感器電容成正比的周期。
代碼段1(詳見(jiàn)本刊網(wǎng)站)羅列了系統固件的功能。與設立電容式傳感系統相關(guān)的大部分工作都已被編為一組由C程序來(lái)調用的標準CSR例行程序。例如：CSR_1_Start()負責配置PSoC的內部布線(xiàn)，以使電流源DAC與模擬多路復用器相連，而比較器與經(jīng)過(guò)正確初始化的PWM和16位計數器相連。
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。
圖6：差分計數與按鍵狀態(tài)之間的轉移函數
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。
圖7：把門(mén)限水平繪制在一個(gè)去除了基線(xiàn)的原始計數圖上
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 電容傳感器相關(guān)文章:電容傳感器原理
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