光彩
发表于 2008-7-9 19:13:34
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电容式触摸感应按键的基本原理就是一个不断地充电和放电的张弛振荡器。如果不触摸开关，张弛振荡器有一个固定的充电放电周期，频率是可以测量的。如果我们用手指或者触摸笔接触开关，就会增加电容器的介电常数，充电放电周期就变长，频率就会相应减少。所以，我们测量周期的变化，就可以侦测触摸动作。
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具体测量的方式有二种：
) |, D. }& ?; }' N" e w(一)可以测量频率，计算固定时间内张弛振荡器的周期数。如果在固定时间内测到的周期数较原先校准的为少，则此开关便被视作为被按压。 6 \ m0 U! {$ l5 Q$ F. r
(二)也可以测量周期，即在固定次数的张弛周期间计算系统时钟周期的总数。如果开关被按压，则张弛振荡器的频率会减少，则在相同次数周期会测量到更多的系统时钟周期。 + H' ~. T" E/ R% m Y
/ d) F' C+ ~* j% O设计触摸感应按键开关
0 a9 B, N! O9 X! M6 h8 v因为我们要侦测电容值的变化，所以希望变化幅度越大越好。现在，有三个主要因素会影响开关电容及变化幅度。( L% C9 s! ]# k; ]7 f) @
4 O4 [6 M$ s2 G8 F1 w4 _; v: uPCB上开关的大小、形状和配置
. m: ~) S5 y, ^. i3 d2 nPCB走线和使用者手指间的材料种类
8 x2 P' G7 r! L" J# k1 ]连接开关和MCU的走线特性
9 r9 X/ I+ j" ^我们测试了下图中这12种不同开关。目的是为了发现开关的形状尺寸会如何影响开关的空闲和被接触的状态，还可以发现哪一种开关的空闲电容最大，就不容易被PCB上的寄生电容而影响。测试结果表明，在特定区域中的开关越大且走线越多，则此开关的闲置电容便越高。图中的环状开关具有最低的电容，所以当开关动作时，可显现最大的电容相对变化。 9 ^& c) j0 M. q7 v
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◆开关的形状尺寸会如何影响开关的空闲和被接触的状态
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3 @6 {. e! d3 r# A) R1 x由于开关上方的材料种类，会影响闲置电容和电容的变化率。我们还测试了玻璃、有机玻璃Mylar聚酯薄膜、ABS塑料和FR4玻璃纤维，这几种不同材料。我们发现，尽可能使用最薄的材料，使电容变化极大化。而且，建议使用具有高介电常数的材料，例如玻璃，以增加开关的绝对电容。
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随着混合信号技术的发展，可以利用基于噪声门限和手指门限的反跳法，实现按键开关状态之间的干净利落的转换，从而使得电容式触摸传感器成为各种消费电子产品中机械式开关的一种实用、增值型替代方案，另外，还提高了检测电路的灵敏度和可靠性。8 M5 p* l& M l: V; o
触摸传感器的广泛使用已经有很多年了。不过，随着近期混合信号可编程器件的发展，使得电容式触摸传感器成为各种消费电子产品中机械式开关的一种实用、增值型替代方案。& i; g4 B! k7 S$ [
对于典型的电容式传感器，规定其覆盖层的厚度为3mm或更薄。随着覆盖层厚度的增加，来传感手指的触摸将变得越来越困难。换句话说，伴随着覆盖层厚度的增加，系统调整过程将必须从“科学”跨越到“精益求精”。为了说明如何制作一个能够提升目前技术极限的电容式传感器，在本文所述的实例中，选用玻璃覆盖层的厚度为10mm。玻璃易于使用，购买方便，而且是透明的，因此您可以看到下面的感应垫。玻璃覆盖层还被直接应用于白色家电。
; U& P# v/ c. z4 }" j1 [% ^0 x$ d- W手指电容
8 u# A" K( H' z0 \- ~" {9 q所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作用的导体。在皮肤下面，人体组织中充满了传导电解质(一种有损电介质)。正是手指的这种导电特性，使得电容式触摸传感成为可能。% T( X2 C6 t: l, m6 ?3 b4 x% R
简单的平行板电容器具有两个导体，其间隔着一层电介质。该系统中的大部分能量直接聚集在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间，而由这些泄露能量所形成的电场被称为“边缘场”。制作实用电容式传感器的部分难题在于：需要设计一组印制导线，将上述的边缘场引导到用户易接近的有效感应区域中。显然，对于这种传感器模式来说，平行板电容器并非上佳之选。
9 h: J2 A4 P% w) Q |0 Z& V把手指放在边缘电场的附近将增加电容式传感系统的导电表面积。由手指所产生的额外电荷存储容量就是已知的手指电容CF。无手指触摸时的传感器电容用CP来表示。在本文中，它代表寄生电容。8 z" X6 h$ C9 U j: I# Q8 p" P
关于电容式传感器的一个常见的误解是：为了使系统正常工作，手指必须接地。实际上，手指被传感的原因在于它带有电荷，而这与其是否悬空或接地完全无关。
( k0 A0 b8 v( w传感器的PCB布局9 ~$ [ r5 y3 q& }* H Y
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电容式触摸传感器的设计技巧& v7 g9 t+ }6 X5 f
该按键的直径为10mm，这是一个成人指尖的平均尺寸。为该演示电路而组装的PCB包含4个按键，它们的中心相隔20mm。如图1中所示，接地平面也位于顶层。金属感应垫和接地平面之间设置了一个均匀的隔离间隙。该间隙的尺寸是一个重要的设计参数。如果间隙设置得过小，则过多的电场能量将直接传递至地。而如果间隙设置得过大，则将无法控制能量穿越覆盖层的方式。选择0.5mm的间隙尺寸可以很好地使边缘场透过10mm厚的玻璃覆盖层。1 W6 c _3 u9 \4 l( n
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电容式触摸传感器的设计技巧
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如图所示，PCB中的过孔将金属感应垫与电路板底面上的印制导线相连。当电场试图找到最短的接地路径时，介电常数εr将对进入材料中的电场能量的密度产生影响。标准玻璃窗的εr约为8，PCB的FR4材料的εr约为4，而白色家电中常用的耐热玻璃的εr大约为5。在本例中，采用标准的窗户玻璃。需要注意的是，在PCB上贴有玻璃纸，即3M公司的468-MP绝缘胶膜。
- ~" g& C( a+ x# @& L电容式传感系统101" y- U- ^8 N' y
该电容式传感系统的基本元件包括：一个可编程电流源、一个精密模拟比较器和一根用来按顺序传输一组电容式传感器信号的多路复用总线。在本文所讨论的系统中，一个弛张振荡器起着电容传感器的作用。该振荡器的简化电路示意图如图3所示。
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3 L' R' d0 j" G电容式触摸传感器的设计技巧
+ J+ g9 j" V4 ^$ T比较器的输出被送进脉冲宽度调制器(PWM)的时钟输入电路，该PWM负责对一个时钟频率为24MHz的16位计数器进行门控。传感器上面的手指使电容增大，从而导致计数值增加。就是基于这一原理来检测到手指的存在。该系统的典型波形示于图4中。
6 m. X( L: j9 b& ~# p电容式触摸传感器的设计技巧
; v/ n) x# Q1 |1 h1 I3 U9 T与机械式开关相比，基于电容的触摸传感器的主要优点是耐用性好，不易损坏，可以长期使用。混合信号技术的近期发展，不仅使得触摸式传感器的成本在各种消费类产品中降到了具有成本效益的水平，而且还提高了检测电路的灵敏度和可靠性(因为增加了覆盖层的厚度和耐用性)。利用本文介绍的设计方法，说明通过一个10mm的玻璃来检测手指的按键触压是可能的，并利用基于噪声门限和手指门限的反跳法，实现了按键开关状态之间的干净利落的转换，从而使电容式触摸传感器成为机械式开关元件的一种实用型替代方案。 |
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