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低成本電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計

作者: 時間:2011-12-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

按鍵因其易于使用、美觀且不涉及機械運動而在日常的人機界面應(yīng)用中得以普及,尤其是技術(shù)可以通過標準PCB中的銅焊盤來實現(xiàn),因而相比其他技術(shù)更受歡迎。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/161268.htm

  本文將對技術(shù)及其實現(xiàn)的基本原理進行簡要概述。文中將會介紹如何利用CVD(分壓器)技術(shù)和一個稱為充電時間測量單元(CTMU)的單片機外設(shè)來實現(xiàn)具有最少外部元器件的低電容式觸摸感應(yīng),還將給出一個參考來說明如何用電容式觸摸感應(yīng)按鍵來替代機械開關(guān)。

  近來,電容式感應(yīng)滾輪在許多設(shè)備中所獲得的成功使得此項技術(shù)比起其他觸摸感應(yīng)技術(shù)更有優(yōu)勢。

  電容式觸摸感應(yīng)的原理

  當(dāng)任何具有電容特性的物體(例如手指)接觸電容式觸摸感應(yīng)器時,都將因其介電特性而充當(dāng)另一電容。這將改變系統(tǒng)的有效電容,從而以此檢測觸摸動作。

  如圖1所示,手指充當(dāng)其中一個平行極板,而另一個平行極板則連接到芯片的傳感器輸入端。人體血液中的鐵質(zhì)將產(chǎn)生一組電容,這些電容附著于體表。當(dāng)這一電容組接近導(dǎo)體時,將會產(chǎn)生一個實質(zhì)上耦合到地的電容,在確定觸摸時它將反映為測量電壓的變化。

  圖1:電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)原理圖

  圖1:電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)原理圖。

  一個典型的電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)由三個主要功能模塊組成:一個用于電容式感應(yīng)的模擬模塊,一個用于處理數(shù)據(jù)的控制器和一個用于與主處理器進行通信的接口模塊。

  電容式觸摸感應(yīng)解決方案可通過利用基于電壓變化的技術(shù)來有效實現(xiàn),如:通過使用單片機的片上充電時間測量單元(CTMU)外設(shè)來實現(xiàn);或者通過采用電壓分壓器(CVD)技術(shù)來實現(xiàn),該項技術(shù)采用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)而無需用到任何專用的電容式觸摸感應(yīng)外設(shè)。

  1. 利用CTMU外設(shè)實現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)

  CTMU外設(shè)是一個靈活的模擬模塊,它可與一個ADC結(jié)合使用來精確測量電容。它包含一個與此ADC通道相連的恒流源,如圖2所示。CTMU使用恒流源來計算電容的變化和不同事件間的時間差。

  圖2:CTMU模塊結(jié)構(gòu)框圖

  圖2:CTMU模塊結(jié)構(gòu)框圖。

  與CVD相比,CTMU可提供更快的響應(yīng)速度,因為它具有多個不同的電流源范圍,這將有助于以更快的速度為模擬通道充電,從而改善電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

  CTMU外設(shè)用于電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用是利用公式I×T=C×V實現(xiàn)的。其中:I是CTMU的恒流源,T是CTMU為電容式觸摸感應(yīng)器充電的固定周期,C是電容式觸摸感應(yīng)器的電容,V是電容式觸摸感應(yīng)器電壓(通過ADC讀?。?。

  將該公式重新整理成C=(I×T)/V的形式,便可通過觀察電壓變化來檢測電容的相對變化。根據(jù)前面的公式,下面給出了檢測觸摸過程所涉及的各個步驟:將電容式觸摸感應(yīng)器(作為一個電容)連接到一個與CTMU外設(shè)和ADC多路復(fù)用的通道;最初,恒流源在一段固定的時間周期(T)內(nèi)為觸摸感應(yīng)器充電,且傳感器上的電壓(V)通過ADC測出,如圖3所示;只要因觸摸感應(yīng)器焊盤而產(chǎn)生的電容不發(fā)生變化,在連續(xù)多次測量電荷的過程中,電壓就不會發(fā)生變化。

  圖3:CTMU的充放電波形

  圖3:CTMU的充放電波形。

  CTMU外設(shè)中存在的恒流源,結(jié)合多通道ADC,為與電容式觸摸感應(yīng)器接口提供了有效的平臺。將CTMU外設(shè)直接連接到ADC的輸入端,使其可通過模擬多路開關(guān)連接到任何引腳。借助這種配置,單個CTMU外設(shè)可測量的傳感器個數(shù)將等于ADC通道數(shù)。

  與電流源相關(guān)的微調(diào)位方便了校準,由此便可應(yīng)對外部干擾和傳輸損耗。

  2. 使用CVD實現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)

  電容分壓器(CVD)方法僅使用ADC并通過比較已知的固定內(nèi)部采樣保持電容和未知的可變電容式傳感器來實現(xiàn)基于電壓的測量。

  CVD的傳感器結(jié)構(gòu)與典型的傳感器相同,傳感器是PCB上的覆銅區(qū)域或是用于傳感的類似導(dǎo)電焊盤。將傳感器直接連接到ADC通道,并通過特定方式配置ADC和I/O即可。

  使用CVD的基本原理包括:首先,通過一個ADC通道將ADC的內(nèi)部采樣/保持電容充電至VDD.然后,將傳感器通道接地,使其處于已知狀態(tài),如圖4所示。傳感器接地后,需將其重置為輸入。重置完成后,ADC通道立即切換至傳感器。

  圖4:CVD結(jié)構(gòu)框圖

  圖4:CVD結(jié)構(gòu)框圖。

  此操作使采樣/保持電容CHOLD與傳感器電容并聯(lián),在這兩者之間形成一個分壓器。因此,傳感器電容上的電壓與采樣/保持電容上的電壓相等。對ADC進行采樣,其讀數(shù)表示兩個電容之比。當(dāng)手指觸摸感應(yīng)器時,傳感器的電容會增加。因此,傳感器上的電壓將降低,而ADC讀數(shù)則增大。

  對于電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)而言,不需要一個絕對的電容讀數(shù),因為所有的譯碼判決均與基準讀數(shù)相關(guān)。

  開發(fā)固件以消除外部干擾

  傳感器上的溫濕度、觸摸程度和污染物以及EMI/EMC干擾等多種因素將會導(dǎo)致電容產(chǎn)生動態(tài)波動,從而影響系統(tǒng)的電容式觸摸感應(yīng)性能。為了應(yīng)對這些影響,可以使用可實現(xiàn)動態(tài)平均值檢測、去抖動和動態(tài)電平跳變的固件。這些技術(shù)將使系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

  此外,還必須結(jié)合軟件濾波來消除傳感器焊盤上的任何殘余噪聲,以便固件能夠區(qū)分觸摸與未觸摸狀態(tài)。對算法進行設(shè)計還能檢測多個觸摸狀態(tài),以區(qū)分有意和無意觸摸。然后,可通過校準軟件來檢測觸摸,即便在電容的觸摸焊盤上有很厚的覆蓋層。

  電容式觸摸感應(yīng)參考設(shè)計

  圖5所示為電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用的一個參考設(shè)計,這一設(shè)計可以立即幫助用戶著手實現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)。此設(shè)計在實現(xiàn)與USB和LCD等其他外設(shè)接口時,也將提供極大的靈活性。此外,它還有助于減少啟動和運行觸摸感應(yīng)系統(tǒng)所需的周轉(zhuǎn)時間。

  圖5:電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用的參考設(shè)計

  圖5:電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用的參考設(shè)計。

  參考設(shè)計中所用單片機具有13個ADC通道,因而最多可以連接13個觸摸感應(yīng)器。該設(shè)計中包含了4個電容式觸摸感應(yīng)器,分別被連接到端口A0-A3.CTMU模塊具有一個可編程的電流源,用于為電容式觸摸感應(yīng)器充電。USB插座作為一個總線供電設(shè)備來為應(yīng)用供電,它使用了片上USB引擎。當(dāng)按壓傳感器時,固件可通過在LCD模塊上顯示觸摸感應(yīng)器的相應(yīng)狀態(tài)來提供反饋信息,該LCD模塊由端口D中的引腳驅(qū)動。此外,設(shè)計中還提供了一個6引腳的接頭,用于將參考電路板連接到硬件編程器。

  影響有效電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計的因素

  電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的引入為實時應(yīng)用帶來了各種挑戰(zhàn)。以下設(shè)計注意事項可幫助減少寄生電容和增加手指電容,最終能夠確保更好的傳感器設(shè)計。

  傳感器焊盤的大小:設(shè)計電容式傳感器時,傳感器焊盤的形狀并不重要。主要關(guān)心的問題是決定靈敏度的焊盤的面積。焊盤面積越大,靈敏度越高。一般來說,該面積應(yīng)考慮為用戶手指的平均大?。?5x15mm)。如果傳感器焊盤的大小大于理想值,會因為更接近地而增加寄生電容。

  傳感器之間的間隔:應(yīng)考慮傳感器與臨近傳感器的接近程度。當(dāng)觸摸某個傳感器時,手指不僅對當(dāng)前的傳感器,而且也對其相鄰的傳感器產(chǎn)生了附加電容。因此,要隔離手指電容,相鄰傳感器之間必須留有一定空間。理想情況下,傳感器間隔應(yīng)是電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)覆蓋材料厚度的2~3倍。例如,對于一個典型的電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計來說,如果覆蓋材料的厚度為3mm,那么傳感器之間的距離應(yīng)為6mm到9mm.

  走線長度:傳感器和單片機之間的走線長度不能太長,否則受寄生電容影響的可能性就將越大。這將改變走線阻抗和影響靈敏度。理想情況下,走線長度應(yīng)不超過12英寸(300mm)。

  覆蓋材料及其厚度:所使用的覆蓋材料及其厚度將決定傳送到電容式觸摸感應(yīng)器的手指電容。所使用的覆蓋材料必須具有較大的介電常數(shù)以增加靈敏度。此外,還要保證覆蓋材料盡可能地薄。如果覆蓋材料的厚度增加,那么傳感器之間的串?dāng)_效應(yīng)將會增加。

  接地技術(shù):傳感方法將受傳感器與地之間的寄生電容影響。其可通過使地盡量靠近傳感器來予以克服,這將增加寄生電容而降低其對傳感器的影響。

  選擇粘合劑:粘合劑用于將覆蓋材料固定到PCB上。所使用的粘合劑應(yīng)盡可能薄以保持較高的靈敏度。在使用粘合劑時應(yīng)小心確保其中沒有空氣泡。在使用粘合劑前應(yīng)仔細閱讀其粘合使用說明。

  本文小結(jié)

  觸摸感應(yīng)技術(shù)的最新發(fā)展降低了此流行用戶界面的相關(guān),使其成為消費類電子產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品及其他產(chǎn)品的理想選擇。與傳統(tǒng)機械開關(guān)相比,電容式觸摸感應(yīng)器的主要優(yōu)勢在于它不會像機械開關(guān)那樣,隨時間的推移而磨損。通過使用單片機的片上CTMU外設(shè)或CVD技術(shù),設(shè)計人員便可以最少的元器件并以較低來實現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)用戶界面。



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