1、電容式觸摸感應器的設計應用時間：2010-03-02 18:27來源:微計算機信息作者：電路圖點擊：蚤359次觸摸感應器已經在業界廣泛使用很多年，但直到近期，隨著混合信號可編程設備 的發展，電容式觸摸傳感器才在廣泛的消費類電子產品中成為傳統機械式開關的 替代品。.我荽上5 J我要提問/,下面是電容式觸摸感應器的設計應用的電路圖觸摸感應器已經在業界廣泛使用很多年，但直到近期，隨著混合信號可編程設備 的發展，電容式觸摸傳感器才在廣泛的消費類電子產品中成為傳統機械式開關的 替代品。電容式感應開關是一個非常有吸引力的開關，但它需要適當的物理尺寸，以及在 典型的電容式傳感器設計中使用一個3毫米或更薄的薄

2、膜疊層。隨著薄膜疊層厚 度的增加。通過薄膜疊層來感應手指會而變得越來越困難。換言之，薄膜疊層厚 度的增加，調諧系統的處理過程就從”科學技術”轉到了”設計技巧”上了。為 了演示如何使一個電容式傳感器突破當今技術的限制，在此示例系統中使用的玻 璃覆蓋的厚度定為10毫米。玻璃具有易于使用、容易獲得和透明的特點，你可 以看到在玻璃下面的傳感器的電路焊盤。玻璃覆蓋層也在所謂的“白色家 電”（家用電器）中直接應用。1.手指電容任何電容傳感系統的核心都是一組與電場相互作用的導電體。人體的組織充滿導 電電解質，這些電解質被人體表皮所覆蓋，人體表皮是有損耗的絕緣體。這種手 指導電性使得電容式觸摸感應成為可能。一

3、個簡單的平行板電容器有兩個被介質層分開的導體。在這個系統的大部分能量 都集中在兩個平行板塊之間，但還是會有部分能源溢出到電容器兩個板之外，與 這種效應相關的電場線被稱為電場邊緣場。生產出實用的電容式傳感器面臨的挑 戰之一就是要設計出一組印刷電路的走線。這種走線方法能使用戶獲取到一個有 效的感應區域。對于這種傳感器模式。平行板電容器并不是很好的選擇。在邊緣電場附近放置一個手指會增加電容系統的導電表面面積。由于指引起的額 外電荷存儲容量通常被稱為于指電容(Cf)。沒有手指放在表面時傳感器的電容在 本文中用Cp表示。它代表寄生電容。有一個有關電容式傳感器常見的誤解是，為了能讓系統工作，手指需要與地連

4、接。 手指之所以可以被系統感覺，因為于指是帶電的，當手指浮動或接地時。系統都 能感受到。2 .傳感器的PCB布局圖1顯示了印刷電路板(PCB)的頂視圖，在這個設計例子中，此PCB實現了其中 的一個電容式傳感器按鈕。s i pcd tnnrns該按鈕的直徑為10毫米，相當于一個成年人指尖的平均尺寸。此演示電路的PCB 板包括中心間距20毫米的4個上述設計方法的按鈕。如圖所示，頂層連接著接 地面。該傳感器焊盤與接地面之間間隔著一個均勻的空隙。該間隙的大小是一個 重要的設計參數。如果差距設置太小，太多的場能量會直接轉到地層。如果設置 過大，場能會直接穿過疊層，而失去控制。0.5毫米大小的間隙對于引導

5、邊緣場 通過10mm玻璃覆蓋層是最佳間距。圖2顯示了同一種樣感應模式的一個截面圖。S2;PCB44iltiEe 面島在PCB上通過一個過孔將感應器焊盤連接到電路板底層的一條走線上，如圖2 所示。當電場嘗試著尋找回地的最短路徑時，介電常數er會影響到材料中電場 能量的緊密程度。標準窗口玻璃的介電常數大約為8,而PCB的FR4材料介電常 數大約為4。通常使用在白色家電商品上的高硬度玻璃的介電常數則約為5。在 這個設計實例中，使用的是標準窗戶玻璃。要注意的是，玻璃板是用3M公司的 不導電黏合膠帶468-MP安裝在電路板上的。電容式傳感101一個電容式傳感系統的基本組成元件，是一個可編程電流源，一個精

6、確的模擬比 較電路，以及一個模擬多路復用總線。該總線可通過一個電容式傳感器陣列進行 排序。本文中所介紹的系統中的弛張振蕩器作為電容傳感器。這個振蕩器的簡化 電路圖如圖3所示。該比較器的輸出被作為一個脈沖寬度調制器(PWM)電路的時鐘輸入信號，它負責 選通一個頻率為24兆赫茲的16位計數器。手指接觸傳感器時會增加電容，從而 增加計數器的總值。這就是一個手指如何被感覺到方式。這個系統的典型波形如 圖4所示K4 SpSEE的弛雎振篇強艦路的譙雅*圈4 ：K4 SpSEE的弛雎振篇強艦路的譙雅*圈4 ：嘩*：用戒埔食而呻禎 Output24MHz Dik柚顱零棒哦墻構jinnnnJinnnAnnmum

7、圖5中顯示了實現這一項目的電路原理圖。S 5電容式tt械傳毒電培的拿日咫為實現電容式傳感和串行通信，電路設計中采用了賽普拉斯公司的CY8C21x34 系列的PSoC芯片，其中包含了一組模擬和數字功能模塊，它們由存儲在板載閃 存中的固件來設置。第二個芯片處理RS232電平移位，以提供與一臺主機的通信 鏈路，使電容式傳感數據記錄通過串口以115200波特率傳輸給主機。四個電容 傳感按鍵的引腳分配顯示在圖5中的表中。通過ISSP接口和編程引腳SCL、SDA 對PSoC進行編程。ISSP接口中包含電源和地，而PC主機連接到電容式傳感電 路板通過標準的DB9連接器。調整傳感器在應用程序中每次調用“開始掃

8、描”功能時，都會檢測按鍵1的電容。原始計算 值存儲在一個數組中。用戶模塊還跟蹤用于原始計數的基線。每個按鍵的基線值 是一個平均的原始計數值，這個值由IIR濾波器在軟件中周期計算得出。IIR濾 波器的更新頻率是可編程的。基線使該系統能適應系統中由于溫度和其他環境影 響而造成的漂移。一個開關差分數組包含消除了基線偏移的原始計數值。目前按 鈕的ON / OFF狀態由開關差值來決定。這使得系統的性能保持不變，即使基準可 能會隨著時間的推移而發生漂流系統的性能也不受影響。這種轉移函數中的滯后性提供了 ON和OFF狀態的平滑轉換，即使計數非常雜亂 也不影響。這為按鈕提供了防跳動功能。較低的閾值被稱為“噪聲

9、閾值”，較高的閾值被稱為“手指閾值”。閾值水平的 設定決定了系統的性能。使用越厚的疊層，信號的信噪比就越低。在這樣的系統 中設置閾值水平是具有一定挑戰性的工作，而這正好就是電容觸摸傳感設計技巧 的一部分。噪聲閾值設置為10個計數值，而手指閾值設置為60計數值。調整過程的一部分包括選擇電流源DAC的電流水平和設置用于累加的振蕩器周 期數。該固件在電流源的低值范圍內設置的電流源的水平為200(最大值255)， 這個值大約為14微安A)，設置的振蕩器周期數為253。對原始計數和差分計 數的分析表明，該系統有一個大約為15pF的寄生走線電容C。以及一個約為0.5 pF的手指電容。手指改變了大約3%左右

10、的總電容。每個原始計數值的采集只占 用每個按鈕的500微秒s)。測量性能差分計數可以通過在PC機上的一個終端仿真程序獲取，然后標注在電子表格上。 手指放在10毫米厚的玻璃疊層上持續3秒鐘，按鈕的ON / OFF狀態疊加在原始 計數上。按鈕在ON和OFF狀態之間平滑的轉換，即使是在通過厚玻璃時感應而 產生較大噪音的原始計數信號也一樣。要注意的是，手指和按鈕閾值如何隨著基 準漂移而進行周期性的調整。當感應到手指按下的動作時，基準值鎖定它的數值， 直到手指移開為止。與傳統機械式開關相比，基于電容的觸摸感應器的主要優勢在于電容式觸摸傳感 器經久耐用，長期使用不易損壞，而機械開關使用時間一長就容易壞。近年來，混合信號技術的不斷發展，不僅使觸摸傳感器的生產成本大大降低到各 種消費類電子產品都可以使用的水平，而且還有助于實現更高靈敏度和可靠性的