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(shí)首先，人體是具有一定電容的。當(dāng)我們把PCB上的銅畫(huà)成如下形式的時(shí)候，就完成了一個(gè)最基本的觸摸感應(yīng)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(chēng)之為“按鍵”），在這些按鍵中會(huì)引出一根導(dǎo)線(xiàn)與MCU相連，MCU通過(guò)這些導(dǎo)線(xiàn)來(lái)檢測(cè)是否有按鍵“按下”（檢測(cè)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(guò)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(chēng)為空隙d）。上圖右邊是左圖的截面圖，當(dāng)沒(méi)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(guò)手指就形成了電容Cf

2、 。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(jiǎn)單的說(shuō)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(huì)想到下面兩個(gè)問(wèn)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(huì)不會(huì)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(huì)不會(huì)影響“按鍵”的性能呢？ 為了弄清楚這兩個(gè)問(wèn)題，我們首先介紹公式2：在這個(gè)公式中d就是我們所說(shuō)的空隙的間距，A表示的“按鍵”面積的大小，C表示沒(méi)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

3、，Cp越大。已知手指觸摸產(chǎn)生的電容范圍為515pf，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(shuō)MCU更加容易檢測(cè)到這個(gè)電容值的變化。基于這種考慮，對(duì)于FR4 材料的PCB（11.5mm厚度）板來(lái)說(shuō)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(shuō)的都是在電路板的頂層如何繪制觸摸按鍵。下面我們來(lái)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(duì)觸摸按鍵的影響。對(duì)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

4、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外界的干擾，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(lái)說(shuō)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(dāng)我們選擇了某些覆蓋物（如：塑料時(shí)）其介電常數(shù)就固定。一般來(lái)說(shuō)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(gè)方面，觸摸按鍵的面積A，雖然在PCB做好后A就固定下來(lái)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(shuō)，Cf就越小。這樣就越難檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)電容觸摸感應(yīng) 有兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)，下面我們將詳細(xì)講述這兩種方法： 基于張弛震蕩器的檢測(cè) 圖就是使用MSP430內(nèi)部的比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)，比較器的負(fù)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(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 CSENSOR 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(cè)到這種變化的話(huà)，也就自然知道何時(shí)觸摸按鍵被“按下”了。 檢測(cè)的方法也很簡(jiǎn)單，上面我們說(shuō)過(guò)，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

7、變化。頻率的倒數(shù)就是周期，只要我們?cè)谝粋€(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(huà)，那就說(shuō)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(shí)間的檢測(cè)第二種方法就是基于電容充、放電時(shí)間長(zhǎng)短的檢測(cè)，下圖給出了這種觸摸檢測(cè)方法的原理圖。在這種方法中，主要檢測(cè)的是電容充電和放電的時(shí)間。首先，由一個(gè)GPIO（Load）對(duì)電容Cx進(jìn)行充電；同時(shí)開(kāi)啟計(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(mén)限電壓V,當(dāng)其超過(guò)門(mén)限電壓V后，Acq I/O GPIO將會(huì)檢測(cè)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

8、次充電計(jì)時(shí)過(guò)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(zhǎng)。通過(guò)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(cè)充電時(shí)間，那么也能檢測(cè)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(duì)于觸摸按鍵來(lái)說(shuō)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(duì)多個(gè)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(lái)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(guò)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)

9、按鍵上的震蕩原理和單獨(dú)一個(gè)按鍵的震蕩原理一樣，上面已經(jīng)講過(guò)了。 基于電阻的電容充放電時(shí)間檢測(cè)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?jī)蓚€(gè)按鍵為一組，通過(guò)電阻進(jìn)行連接。系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過(guò)一個(gè)IO口對(duì)一個(gè)按鍵進(jìn)行充電（如需要檢測(cè)第一個(gè)按鍵 ，則是第一組IO中的下面那個(gè)負(fù)責(zé)對(duì)按鍵進(jìn)行充電）并且開(kāi)啟計(jì)時(shí)器；另外一個(gè)IO口（第一組IO中的上面那個(gè)）監(jiān)視IO口上電壓的大小，當(dāng)電壓超過(guò)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(duì)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

10、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(guò)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(guān)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(shuō)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。回想一下單片機(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(pán)的概念，那么在觸摸按鍵中能否用矩陣鍵盤(pán)呢？下圖給出了這個(gè)問(wèn)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

11、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(guò)檢測(cè)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(pán)的思想，但如果只是簡(jiǎn)單的把一塊銅皮分成兩塊的話(huà)，也會(huì)帶來(lái)一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：有的時(shí)候人的手指會(huì)按偏，比如說(shuō)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(wèn)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(xiàn)法： 采用交錯(cuò)走線(xiàn)后，將會(huì)很有效的避免按鍵時(shí)按偏的問(wèn)題。 采用矩陣鍵盤(pán)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(wú)限制的使用。例如：如果一個(gè)按鍵有兩個(gè)IO來(lái)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(lái)確定則每個(gè)IO只占了1/3，而我們前面又提到過(guò)，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(huà)說(shuō)就是越難檢測(cè)到這個(gè)寄生電容的變化。所以，對(duì)于采用矩陣鍵盤(pán)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)，外接到一個(gè)IO擴(kuò)展芯片