電容觸摸傳感的理論框架

　　考慮到美觀(guān)、整潔和成本效益等方面的因素，觸摸傳感應用在包括消費類(lèi)電子產(chǎn)品、家用電器等在內的許多電子產(chǎn)品中，正變得越來(lái)越流行。本文將討論與電容觸摸傳感工作相關(guān)的基本概念，以及如何簡(jiǎn)便地實(shí)現電容觸摸傳感。

　　電容的相關(guān)物理性質(zhì)

　　為了更好地理解在電容觸摸傳感應用的硬件、布線(xiàn)和軟件開(kāi)發(fā)中需要采取哪些措施，了解它內在的物理性質(zhì)非常重要?？刂扑氖莾蓚€(gè)基本公式和一個(gè)常識。第一個(gè)公式(見(jiàn)公式1)用于求電容值，它說(shuō)明如何根據極板模型使用面積、距離和材料屬性來(lái)定義電容。第二個(gè)公式(見(jiàn)公式2)說(shuō)明電容電壓與電流的關(guān)系，并引入RC電路的充電速率(等于時(shí)間常數τ)。第三個(gè)公式(見(jiàn)公式3)說(shuō)明并聯(lián)電容的總電容值等于兩者相加。

　　公式1是雙極板電容的模型。它適用于觸摸傳感應用，因為在將手指靠近傳感器極板時(shí)，手指的作用也類(lèi)似于一個(gè)極板。傳感器具有一定的標稱(chēng)電容C1(由于走線(xiàn)、附近的地線(xiàn)等原因而產(chǎn)生)。將手指靠近時(shí)，距離“d”下降，而和A上升，并引入了并聯(lián)的附加電容“C2”。所產(chǎn)生的效果就是傳感器線(xiàn)路上的電容上升，上升值等于附加電容C2。然后，軟件必須通過(guò)硬件(向單片機中輸入傳感器讀數)來(lái)檢測電容變化。硬件將利用公式2(充電時(shí)間公式)的某種形式向單片機傳達傳感器讀數。

　　傳感器設計

　　傳感器設計通常很簡(jiǎn)單。設計布線(xiàn)時(shí)，需要注意容性耦合效應及其關(guān)聯(lián)的物理性質(zhì)。焊盤(pán)的面積及覆蓋在其上方的材料的厚度是最關(guān)鍵的因素。對于小鍵盤(pán)類(lèi)型的應用，傳感器的大小應當至少為將手指按平時(shí)，指尖面積的大小。根據公式1中的面積“A”，傳感器較大時(shí)，其傳感能力通常也較好。此外，人們并不一定能夠恰好地控制手指的放置位置(從而控制產(chǎn)生的電容)，而不同的兩個(gè)人也不會(huì )具有完全相同的電容。所以，傳感器的容限必須盡可能很大，可以處理遇到的各種觸摸情況，同時(shí)始終準確地報告按下?tīng)顟B(tài)。

　　有些時(shí)候，指尖大小的傳感器并不總是最佳的。作為一條準則，傳感器焊盤(pán)上方的材料越厚，焊盤(pán)就必須越大，才能檢測到是否有手指按下。這是因為根據公式1，當傳感器焊盤(pán)上方的材料厚度增加時(shí)，距離“d”就會(huì )增大，從而手指的電容就會(huì )下降。對于需要非常精確的傳感器控制的應用(例如，傳感器很小)，如果材料覆蓋層很厚，則最終會(huì )限制傳感器檢查按下?tīng)顟B(tài)的能力。因此，如果傳感器非常小，覆蓋層必須盡可能薄。此外，如果非常小的傳感器相互緊鄰，還會(huì )產(chǎn)生容性耦合。在硬件中，在這樣的傳感器之間布置接地電路可以減少這種耦合效應。此外，還可以使用一些軟件技巧來(lái)辨別相互耦合程度很高的傳感器，這將在后面討論。

　　目前為止，本文討論了關(guān)于手指為傳感器的標稱(chēng)寄生電容“Cp”引入附加電容的理論。為了獲取讀數，還需要另外填入兩個(gè)大的功能模塊。第一個(gè)是硬件，它將通過(guò)某種形式來(lái)捕捉電容變化;第二個(gè)是軟件，它在傳感器和應用級別解釋系統中發(fā)生的情況。

　　硬件概述

　　用于捕捉傳感器數據并將其轉換為數值(讀數)的硬件可采用許多方式開(kāi)發(fā)。在電容觸摸傳感設計中，用硬件區分不同單片機供應商針對此應用推出的產(chǎn)品。根據公式2，可以測量和電流與電壓關(guān)系有關(guān)的3個(gè)基本量：

　　1. 充電至固定電壓需要的時(shí)間變化量(Δt，固定V)

　　2. 固定充電時(shí)間內的電壓變化量(ΔV，固定t)

　　3. 固定時(shí)間周期中的頻率變化量(Δf，固定T)

　　頻率測量方案基于充電速率公式(重復許多次)，但它對應于較長(cháng)的周期T，而不是單個(gè)充電周期t。所以，充電至固定電壓需要的時(shí)間變化量(Δt，固定V)和固定充電時(shí)間內的電壓變化量(ΔV，固定t)，定義了檢測電容變化的基本方法。根據需要，可以基于這些基本方法來(lái)構造新的測量方案。