電容觸摸感應(yīng)原理與應(yīng)用(共12頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電容觸摸感應(yīng)原理與應(yīng)用1 電容觸摸感應(yīng)基本知識首先，人體是具有一定電容的。當我們把PCB上的銅畫成如下形式的時候，就完成了一個最基本的觸摸感應(yīng)按鍵。上圖左邊，是一個基本的觸摸按鍵，中間圓形綠色的為銅（我們可以稱之為“按鍵”），在這些按鍵中會引出一根導(dǎo)線與MCU相連，MCU通過這些導(dǎo)線來檢測是否有按鍵“按下”（檢測的方法多種多樣，這將在后面章節(jié)中談到）；外圍的綠色也是銅，不過外圍的這些銅是與GND大地相連的。在“按鍵”和外圍的銅之間是空隙（我們可以稱為空隙d）。上圖右邊是左圖的截面圖，當沒有手指接觸時，只有一個電容Cp ，當有手指接觸時，“按鍵”通過手指就形成了電容Cf

2、 。由于兩個電容是并聯(lián)的，所以手指接觸“按鍵”前后，總電容的變化率為C% = (Cp+Cf)-Cp)/Cp = Cf/Cp 公式1下圖更簡單的說明了上述原理。 2 電容感應(yīng)觸摸器件的參數(shù)選擇 弄清楚了上述原理后很自然的就會想到下面兩個問題： 空隙d的大小應(yīng)該為多少呢？即“按鍵”與地之間的距離為多少？d的大小會不會影響“按鍵”的性能？ “按鍵”的大小應(yīng)該為多少呢？它的形狀、大小會不會影響“按鍵”的性能呢？ 為了弄清楚這兩個問題，我們首先介紹公式2：在這個公式中d就是我們所說的空隙的間距，A表示的“按鍵”面積的大小，C表示沒有手指接觸按鍵時電容的大小Cp。顯然，空隙間距d越大，Cp越??；面積A越大

3、，Cp越大。已知手指觸摸產(chǎn)生的電容范圍為515pf，這是一個非常小的容值。當Cp非常小時，公式1中的C%將會比較大，也就是說MCU更加容易檢測到這個電容值的變化。基于這種考慮，對于FR4 材料的PCB（11.5mm厚度）板來說我們一般選取d=0.5mm，按鍵的面積A一般選取成人手指大小即可。3 電路板底層的覆銅處理前面我們說的都是在電路板的頂層如何繪制觸摸按鍵。下面我們來看看電路板的底層如何覆銅。首先，在電路板底層覆銅是很有必要的，這些接地的覆銅能夠最大限度的降低觸摸按鍵的噪聲以及外部環(huán)境對觸摸按鍵的影響。對于底層覆銅的方法一般有四種：完全不覆銅、25%網(wǎng)格覆銅、50%網(wǎng)格覆銅、100%實心覆

4、銅。很多人一般會選擇100%實心覆銅，這種覆銅方式確實能夠最大限度的降低噪聲和外界的干擾，但同時，它也大大增加Cp的值，而Cp的值我們是不希望它很大的。所以，在這里推薦采用50%75%網(wǎng)格覆銅14:cchu觸摸按鍵表面的覆蓋物在許多的應(yīng)用中，我們需要在觸摸按鍵上添加一些覆蓋物，如：塑料等。在這種情況下，人的手指就不能和觸摸按鍵直接接觸了。那么電容觸摸是不是就失效了呢？答案是否定的。從第二節(jié)的圖中我們可以看到，電容容量的大小與三種東西有關(guān)：觸摸按鍵的面積A，觸摸按鍵與地平面的間距d以及介電常數(shù)。觸摸按鍵與地平面的間距一般來說在按鍵做好了以后就是固定的，所以電容容量的大小就與觸摸按鍵的面積A以及介

5、電常數(shù)有關(guān)。當我們選擇了某些覆蓋物（如：塑料時）其介電常數(shù)就固定。一般來說介電常數(shù)越小越不容易導(dǎo)電，所以我們要盡可能的選擇介電常數(shù)小的覆蓋物。第二個方面，觸摸按鍵的面積A，雖然在PCB做好后A就固定下來了，但是，隨著覆蓋物厚度的增加，手指就越難接觸到觸摸按鍵。即，手指與觸摸按鍵接觸的有效面積就越小，也就是說，Cf就越小。這樣就越難檢測到觸摸按鍵電容值的變化。下表列舉出了在通常情況下，覆蓋物的厚度與容值的關(guān)系。 5 用MSP430來實現(xiàn)電容觸摸感應(yīng) 有兩種方式來實現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)，下面我們將詳細講述這兩種方法： 基于張弛震蕩器的檢測 圖就是使用MSP430內(nèi)部的比較器來實現(xiàn)一個張弛震蕩觸摸按鍵的的

6、電路。在在輸入端，比較器的正接到了一個電阻網(wǎng)絡(luò)，比較器的負接到了電阻Rc與感應(yīng)電容之間。比較器所接的電阻網(wǎng)絡(luò)為比較器提供了參考電壓，而這個參考電壓又受到了比較器輸出反饋的激勵，所以其值在1/3Vcc和2/3Vcc之間反復(fù)變化。造成張弛振蕩器的持續(xù)震蕩，其震蕩頻率可由以下公式算出：fOSC = 1/1.386 RC CSENSOR 當手指接觸到觸摸按鍵以后，顯然，CSENSOR的值將會被改變，于是fosc也隨之變化。如果我們能夠檢測到這種變化的話，也就自然知道何時觸摸按鍵被“按下”了。 檢測的方法也很簡單，上面我們說過，當手指接觸到觸摸按鍵以后， CSENSOR的值將會被改變，于是fosc也隨之

7、變化。頻率的倒數(shù)就是周期，只要我們在一個固定的時間內(nèi)去計算上升沿或下降沿的數(shù)目，那么如果在某一時刻該數(shù)目有較大的變化的話，那就說明CSENSOR的值已經(jīng)被改變，即按鍵被“按下”了。 基于電阻的電容充放電時間的檢測第二種方法就是基于電容充、放電時間長短的檢測，下圖給出了這種觸摸檢測方法的原理圖。在這種方法中，主要檢測的是電容充電和放電的時間。首先，由一個GPIO（Load）對電容Cx進行充電；同時開啟計時器進行計時；隨著充電的進行，Cx的電壓中不斷升高，最終它將會操作某個門限電壓V,當其超過門限電壓V后，Acq I/O GPIO將會檢測到這個事件，同時停止計時器并讀出此時的數(shù)值。這樣，就完成了一

8、次充電計時過程，當手指接觸到觸摸按鍵時，Cx將會變大，顯然，充電時間也會變長。通過不斷比較每次充電的時間，很自然地就能得知當前是否有按鍵被“按下”。 同樣，既然能檢測充電時間，那么也能檢測放電時間。這里不再贅述。6.多按鍵的處理 顯然，如果觸摸只支持一個按鍵，這是不實用的。所以，對于觸摸按鍵來說一般都要求能夠支持多個按鍵的動作。由于實現(xiàn)電容觸摸的方法不同，所以存在著不同的對多個按鍵的處理。 基于張弛震蕩器多按鍵的處理 這種方法連接圖如下所示： 在這種方式下，比較器的一端還是和原來一樣接到電阻網(wǎng)絡(luò)中，比較器的另外一端接在一個MUX上，通過MUX選擇不同的IO口讀取不同按鍵的上的電容震蕩周期。每個

9、按鍵上的震蕩原理和單獨一個按鍵的震蕩原理一樣，上面已經(jīng)講過了。 基于電阻的電容充放電時間檢測的多按鍵處理 這種方法其連接圖如下所示：從圖中大家可以看到，每個按鍵接在不同的IO端口上，并且每兩個按鍵為一組，通過電阻進行連接。系統(tǒng)工作時，首先通過一個IO口對一個按鍵進行充電（如需要檢測第一個按鍵 ，則是第一組IO中的下面那個負責對按鍵進行充電）并且開啟計時器；另外一個IO口（第一組IO中的上面那個）監(jiān)視IO口上電壓的大小，當電壓超過某一個閾值的時候停止計時器并讀出當前值。同時，下面那個IO口設(shè)置為輸入，對觸摸按鍵的電容進行放電（同時啟動計時器），當電容上的電壓低于某個值時停止計時器并讀出當前值。這

10、兩個值就是電容按鍵的充、放電時間。如果此時有手指“按”在按鍵上，那么這兩個時間也將會變化。 通過不停的掃描各個按鍵，這個可以很容易的得到當前那個按鍵被“按下”。7在有限的IO中擴展按鍵數(shù)量 前面我們講到兩種多按鍵的處理方法，仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，這兩種處理方法都是基于多個IO的，也就是說有多少個IO我們就能擴展出多少個按鍵。如果我只有6個可用的IO，那么能不能實現(xiàn)多余6個按鍵呢？答案是肯定的。回想一下單片機中我們是如何做的，當時，我們提出了一個3*3矩陣鍵盤的概念，那么在觸摸按鍵中能否用矩陣鍵盤呢？下圖給出了這個問題的實現(xiàn)。 在上圖中，每個觸摸按鍵不再是一塊銅皮，而是由兩塊銅皮構(gòu)成，每塊銅皮分別連

11、接在不同的IO端口上，當我們觸摸了某個按鍵后，顯然兩塊銅皮上的電容都會變化，這樣我們通過檢測那兩塊銅皮的電容變化了，也就確定了哪個按鍵被按下了。 這種方法完全借鑒了矩陣鍵盤的思想，但如果只是簡單的把一塊銅皮分成兩塊的話，也會帶來一個嚴重的問題：有的時候人的手指會按偏，比如說只是按到了一個按鍵的一塊銅皮上，那么這時算法如何處理？為了解決這個問題，于是提出了下面這種按鍵的設(shè)計方法，即采用交錯走線法： 采用交錯走線后，將會很有效的避免按鍵時按偏的問題。 采用矩陣鍵盤法可以實現(xiàn)在有限的IO中實現(xiàn)多個按鍵，但它也不是無限制的使用。例如：如果一個按鍵有兩個IO來確定則每個IO銅皮所占的面積只占了這個按鍵的面積的1/2,如果由三個IO來確定則每個IO只占了1/3，而我們前面又提到過，產(chǎn)生的寄生電容和接觸面積A成正比，當每個IO接觸面積減少時，其寄生電容也就隨之減少。換句話說就是越難檢測到這個寄生電容的變化。所以，對于采用矩陣鍵盤思想擴充按鍵數(shù)目的方法只適用于按鍵比較少的情況，一般來說，10個按鍵比較合適，如觸摸滑條等。 那么如果確實要超過10個按鍵的擴展該怎么辦呢？這時我們可以考慮用外圍IO擴展芯片。如上圖所示，我們把一個IO口引出來，外接到一個IO擴展芯片