電容觸摸原理_物理_自然科學(xué)_專業(yè)資料。電容式觸控原理 1． 電容觸摸基本知識 首先，人體是具有一定電容的。當(dāng)我們把 PCB 上的銅畫成如下形式的時(shí)候， 就完成了一個(gè)最基本的觸摸按鍵。 上圖左邊，是一個(gè)基本的觸摸按鍵，中間圓形

　　電容式觸控原理 1． 電容觸摸基本知識 首先，人體是具有一定電容的。當(dāng)我們把 PCB 上的銅畫成如下形式的時(shí)候， 就完成了一個(gè)最基本的觸摸按鍵。 上圖左邊，是一個(gè)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(huì)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(dāng)沒有手指接觸時(shí)，只有一個(gè)電容 Cp ，當(dāng)有手指接觸時(shí)，“按鍵” 通過手指就形成了電容 Cf 。由于兩個(gè)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(huì)想到下面兩個(gè)問題： ① 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(huì)不會(huì)影響“按鍵”的性能？ ② “按鍵”的大小應(yīng)該為多少呢？它的形狀、大小會(huì)不會(huì)影響“按鍵” 的性能呢？ 為了弄清楚這兩個(gè)問題，我們首先介紹公式 2： 在這個(gè)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(shí)電容的大小 Cp。顯然，空隙間距 d 越大，Cp 越 小；面積 A 越大，Cp 越大。已知手指觸摸產(chǎn)生的電容范圍為 5~15pf，這是一個(gè) 非常小的容值。當(dāng) Cp 非常小時(shí)，公式 1 中的 C%將會(huì)比較大，也就是說 MCU 更 加容易檢測到這個(gè)電容值的變化�；�于這種考慮，對于 FR4 材料的 PCB（1~1.5 mm 厚度）板來說我們一般選取 d=0.5mm，按鍵的面積 A 一般選取手指大小 即可。 3． 電板底層的覆銅處理 前面我們說的都是在電板的頂層如何繪制觸摸按鍵。下面我們來看看 電板的底層如何覆銅。 首先，在電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(shí)心覆銅。 很多人一般會(huì)選擇 100%實(shí)心覆銅，這種覆銅方式確實(shí)能夠最大限度的降低噪聲 和的干擾，但同時(shí)，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。 4、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ε。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 以及介電ε有關(guān)。當(dāng)我們選擇了某些覆蓋物（如： 塑料時(shí)）其介電就固定。一般來說介電越小越不容易導(dǎo)電，所以我 們要盡可能的選擇介電小的覆蓋物。 第二個(gè)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(shí)現(xiàn)電容觸摸 有兩種方式來實(shí)現(xiàn)電容觸摸，下面我們將詳細(xì)講述這兩種方法： ① 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(shí)現(xiàn)一個(gè)張弛震蕩觸摸按鍵的的電。在在 輸入端，比較器的正接到了一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)，比較器的負(fù)接到了電阻 Rc 與 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(gè)參考電壓 又受到了比較器輸出反饋的激勵(lì)，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 × C ] SENSOR 當(dāng)手指接觸到觸摸按鍵以后，顯然，CSENSOR 的值將會(huì)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(shí)觸摸按鍵被“按下”了。 檢測的方法也很簡單，我們說過，村欲情史當(dāng)手指接觸到觸摸按鍵以后， CSENSOR 的值將 會(huì)被改變，于是 fosc 也隨之變化。頻率的倒數(shù)就是周期，只要我們在一個(gè)固定的時(shí)間 內(nèi)去計(jì)算上升沿或下降沿的數(shù)目，那么如果在某一時(shí)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。 ② 基于電阻的電容充放電時(shí)間的檢測 第二種方法就是基于電容充、放電時(shí)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(shí)間。首先，由一個(gè) GPIO（Load） 對電容 Cx 進(jìn)行充電；同時(shí)計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)；隨著充電的進(jìn)行，Cx 的電壓中不斷升 高，最終它將會(huì)操作某個(gè)門限電壓 V,當(dāng)其超過門限電壓 V 后，Acq I/O GPIO 將會(huì)檢測 到這個(gè)事件，同時(shí)停止計(jì)時(shí)器并讀出此時(shí)的數(shù)值。這樣，就完成了一次充電計(jì)時(shí)過程， 當(dāng)手指接觸到觸摸按鍵時(shí)，Cx 將會(huì)變大，顯然，充電時(shí)間也會(huì)變長。通過不斷比較每 次充電的時(shí)間，很自然地就能得知當(dāng)前是否有按鍵被“按下”。 同樣，既然能檢測充電時(shí)間，那么也能檢測放電時(shí)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(gè)按鍵，這是不實(shí)用的。所以，對于觸摸按鍵來說一般都 要求能夠支持多個(gè)按鍵的動(dòng)作。由于實(shí)現(xiàn)電容觸摸的方法不同，所以存在著不同的對多 個(gè)按鍵的處理。 ① 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(gè) 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(gè)按鍵上的震蕩原理和單獨(dú)一個(gè)按鍵的震蕩原理一樣，已經(jīng)講過 了。 ② 基于電阻的電容充放電時(shí)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(gè)按鍵接在不同的 IO 端口上，并且每兩個(gè)按鍵為一組， 通過電阻進(jìn)行連接。系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過一個(gè) IO 口對一個(gè)按鍵進(jìn)行充電（如需要檢 測第一個(gè)按鍵 ，則是第一組 IO 中的下面那個(gè)負(fù)責(zé)對按鍵進(jìn)行充電）并且計(jì)時(shí)器； 另外一個(gè) IO 口（第一組 IO 中的那個(gè)） IO 口上電壓的大小，當(dāng)電壓超過某一 個(gè)閾值的時(shí)候停止計(jì)時(shí)器并讀出當(dāng)前值。同時(shí)，下面那個(gè) IO 口設(shè)置為輸入，對觸摸按 鍵的電容進(jìn)行放電（同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器），當(dāng)電容上的電壓低于某個(gè)值時(shí)停止計(jì)時(shí)器并讀 出當(dāng)前值。這兩個(gè)值就是電容按鍵的充、放電時(shí)間。如果此時(shí)有手指“按”在按鍵上， 那么這兩個(gè)時(shí)間也將會(huì)變化。 通過不停的掃描各個(gè)按鍵，這個(gè)可以很容易的得到當(dāng)前那個(gè)按鍵被“按下”。 7．在有限的 IO 中擴(kuò)展按鍵數(shù)量 前面我們講到兩種多按鍵的處理方法，仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，這兩種處理方法都是基于 多個(gè) IO 的，也就是說有多少個(gè) IO 我們就能擴(kuò)展出多少個(gè)按鍵。如果我只有 6 個(gè)可用的 IO，那么能不能實(shí)現(xiàn)多余 6 個(gè)按鍵呢？答案是肯定的�；叵胍幌聠纹瑱C(jī)中我們是如何做 的，當(dāng)時(shí)，我們提出了一個(gè) 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(gè)問題的實(shí)現(xiàn)。 在上圖中，每個(gè)觸摸按鍵不再是一塊銅皮，而是由兩塊銅皮構(gòu)成，每塊銅皮分別連接在 不同的 IO 端口上，當(dāng)我們觸摸了某個(gè)按鍵后，顯然兩塊銅皮上的電容都會(huì)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(gè)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(huì)帶來一個(gè)嚴(yán)重的問題：有的時(shí)候人的手指會(huì)按偏，比如說只是按到了一個(gè)按鍵的一 塊銅皮上，那么這時(shí)算法如何處理？為了解決這個(gè)問題，于是提出了下面這種按鍵的設(shè) 計(jì)方法，即采用交錯(cuò)走線法： 采用交錯(cuò)走線后，將會(huì)很有效的避免按鍵時(shí)按偏的問題。 采用矩陣鍵盤法可以實(shí)現(xiàn)在有限的 IO 中實(shí)現(xiàn)多個(gè)按鍵，但它也不是無的使用。 例如：如果一個(gè)按鍵有兩個(gè) IO 來確定則每個(gè) IO 銅皮所占的面積只占了這個(gè)按鍵的面積 的 1/2,如果由三個(gè) IO 來確定則每個(gè) 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(dāng)每個(gè) IO 接觸面積減少時(shí)，其寄生電容也就隨之減少。換 句話說就是越難檢測到這個(gè)寄生電容的變化。所以，對于采用矩陣鍵盤思想擴(kuò)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(gè)按鍵比較合適，如觸摸滑條等。 那么如果確實(shí)要超過 10 個(gè)按鍵的擴(kuò)展該怎么辦呢？這時(shí)我們可以考慮用外圍 IO 擴(kuò) 展芯片。 如上圖所示，我們把一個(gè) IO 口引出來，外接到一個(gè) IO 擴(kuò)展芯片上，通過這個(gè)擴(kuò)展 芯片實(shí)現(xiàn)了一個(gè)到多個(gè) IO 的擴(kuò)展。但這種方法也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：對于 IO 擴(kuò)展芯片 來說其內(nèi)部有一個(gè)寄生電容： 這個(gè)寄生電容將會(huì)影響到我們的基本電容，而手指按下按鍵產(chǎn)生的電容總是 一定的，這樣在手指按下按鍵前后電容的變化率將會(huì)變小，也就是說按鍵的靈敏 度將會(huì)下降。這當(dāng)然是用戶所不希望看到的。為了減少這種變化所帶來的影響， 我們只有延長檢測窗口的時(shí)間。