考慮到美觀、整潔和成本效益等方面的因素，在包括消費(fèi)類電子產(chǎn)品、家用電器等在內(nèi)的許多電子產(chǎn)品中，觸摸傳感應(yīng)用正變得越來(lái)越流行。本文將討論與電容觸摸傳感">電容觸摸傳感工作相關(guān)的基本概念，以及如何簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)電容觸摸傳感">電容觸摸傳感功能。

電容的相關(guān)物理性質(zhì)

為了更好地理解在電容觸摸傳感">電容觸摸傳感應(yīng)用的硬件、布線和軟件開發(fā)中需要采取哪些措施，了解它內(nèi)在的物理性質(zhì)非常重要?？刂扑氖莾蓚€(gè)基本公式和一個(gè)常識(shí)。第一個(gè)公式(見公式1)用于求電容值，它說(shuō)明如何根據(jù)極板模型使用面積、距離和材料屬性來(lái)定義電容。第二個(gè)公式(見公式2)說(shuō)明電容電壓與電流的關(guān)系，并引入RC電路的充電速率(等于時(shí)間常數(shù)τ)。第三個(gè)公式(見公式3)說(shuō)明并聯(lián)電容的總電容值等于兩者相加。

公式1是雙極板電容的模型。它適用于觸摸傳感應(yīng)用，因?yàn)樵趯⑹种缚拷?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/117/" target="_blank">傳感器極板時(shí)，手指的作用也類似于一個(gè)極板。傳感器具有一定的標(biāo)稱電容C1(由于走線、附近的地線等原因而產(chǎn)生)。將手指靠近時(shí)，距離“d”下降，而和A上升，并引入了并聯(lián)的附加電容“C2”。所產(chǎn)生的效果就是傳感器線路上的電容上升，上升值等于附加電容C2。然后，軟件必須通過(guò)硬件(向單片機(jī)中輸入傳感器讀數(shù))來(lái)檢測(cè)電容變化。硬件將利用公式2(充電時(shí)間公式)的某種形式向單片機(jī)傳達(dá)傳感器讀數(shù)。

傳感器設(shè)計(jì)

傳感器設(shè)計(jì)通常很簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)布線時(shí)，需要注意容性耦合效應(yīng)及其關(guān)聯(lián)的物理性質(zhì)。焊盤的面積及覆蓋在其上方的材料的厚度是最關(guān)鍵的因素。對(duì)于小鍵盤類型的應(yīng)用，傳感器的大小應(yīng)當(dāng)至少為將手指按平時(shí)，指尖面積的大小。根據(jù)公式1中的面積“A”，傳感器較大時(shí)，其傳感能力通常也較好。此外，人們并不一定能夠恰當(dāng)?shù)乜刂剖种傅姆胖梦恢?從而控制產(chǎn)生的電容)，而不同的兩個(gè)人也不會(huì)具有完全相同的電容。所以，傳感器的容限必須盡可能很大，可以處理遇到的各種觸摸情況，同時(shí)準(zhǔn)確地報(bào)告按下狀態(tài)。

有些時(shí)候，指尖大小的傳感器并不總是最佳的。作為一條準(zhǔn)則，傳感器焊盤上方的材料越厚，焊盤就必須越大，才能檢測(cè)到是否有手指按下。這是因?yàn)楦鶕?jù)公式1，當(dāng)傳感器焊盤上方的材料厚度增加時(shí)，距離“d”就會(huì)增大，從而手指的電容就會(huì)下降。對(duì)于需要非常精確的傳感器控制的應(yīng)用(例如，傳感器很小)，如果材料覆蓋層很厚，則最終會(huì)限制傳感器檢查按下狀態(tài)的能力。因此，如果傳感器非常小，覆蓋層必須盡可能薄。此外，如果非常小的傳感器相互緊鄰，還會(huì)產(chǎn)生容性耦合，在傳感器之間布置接地電路可以減少這種耦合效應(yīng)。此外，還可以使用一些軟件技巧來(lái)辨別相互耦合程度很高的傳感器。

用于捕捉傳感器數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)值(讀數(shù))的硬件可采用許多方式開發(fā)。在電容觸摸傳感">電容觸摸傳感設(shè)計(jì)中，用硬件區(qū)分不同單片機(jī)供應(yīng)商針對(duì)此應(yīng)用推出的產(chǎn)品。根據(jù)公式2，可以測(cè)量和電流與電壓關(guān)系有關(guān)的3個(gè)基本量：

1. 充電至固定電壓需要的時(shí)間變化量(Δt，固定V);

2. 固定充電時(shí)間內(nèi)的電壓變化量(ΔV，固定t);

3. 固定時(shí)間周期中的頻率變化量(Δf，固定T) 。

頻率測(cè)量方案基于充電速率公式(重復(fù)許多次)，但它對(duì)應(yīng)于較長(zhǎng)的周期T，而不是單個(gè)充電周期t。所以，充電至固定電壓需要的時(shí)間變化量(Δt，固定V)和固定充電時(shí)間內(nèi)的電壓變化量(ΔV，固定t)，定義了檢測(cè)電容變化的基本方法。根據(jù)需要，可以基于這些基本方法來(lái)構(gòu)造新的測(cè)量方案。

對(duì)于測(cè)量充電至固定電壓需要的時(shí)間變化量這種方法，手指產(chǎn)生的附加電容會(huì)增加充電時(shí)間(C上升)，所以時(shí)間讀數(shù)會(huì)相應(yīng)地上升。對(duì)于測(cè)量固定充電時(shí)間內(nèi)的電平變化量這種方法，附加電容會(huì)降低相同時(shí)間量?jī)?nèi)所能達(dá)到的電壓，所以電壓讀數(shù)會(huì)下降。最后，對(duì)于測(cè)量固定時(shí)間周期中的頻率這種方法，頻率會(huì)隨振蕩器RC常數(shù)的上升而下降。因此，頻率讀數(shù)會(huì)下降。

本文以頻率測(cè)量方案為例進(jìn)行說(shuō)明，但每個(gè)系統(tǒng)都會(huì)應(yīng)用后處理方案。使用一種方案時(shí)，電容讀數(shù)可能會(huì)上升，而使用另一種方案時(shí)，電容讀數(shù)可能會(huì)下降，但這可以在軟件中調(diào)整。選擇了硬件方案之后，讀數(shù)將根據(jù)請(qǐng)求輸入單片機(jī)，或按照軟件配置指定的其他時(shí)間間隔輸入單片機(jī)。

單片機(jī)軟件與后處理

單片機(jī)中的軟件負(fù)責(zé)處理電容觸摸傳感">電容觸摸傳感應(yīng)用中的許多工作，前提是硬件和傳感器均正常工作。傳感器和整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量越好，軟件的實(shí)現(xiàn)就越簡(jiǎn)單。開發(fā)軟件之前，需要記住每個(gè)傳感器都具有一定的固有寄生電容：Cp(或公式3中的C1)。因此，每個(gè)傳感器都可以檢測(cè)到某個(gè)標(biāo)稱值。通過(guò)觀察傳感器的輸出，可以直觀方便地確定它，但必須先在軟件中設(shè)定該標(biāo)稱值，然后才能以此為基準(zhǔn)計(jì)算相對(duì)于它的偏差。實(shí)現(xiàn)它的最好方式是創(chuàng)建一個(gè)滑動(dòng)平均值——即，16 點(diǎn)平均值。通過(guò)存儲(chǔ)先前16個(gè)值來(lái)計(jì)算平均值的效率很低，所以改為使用一種看起來(lái)較復(fù)雜，但計(jì)算較簡(jiǎn)單、可節(jié)省存儲(chǔ)空間的求均值方法。

與具有極強(qiáng)計(jì)算能力的較大的計(jì)算機(jī)處理器相比，單片機(jī)通常在這方面受到限制。與實(shí)際執(zhí)行除法相比，使用移位、加法和減法可以降低性能損失。此外，這個(gè)求均值程序并不僅限用于電容觸摸傳感">電容觸摸傳感——它對(duì)于8位單片機(jī)的很多應(yīng)用都非常有用。

確定了平均值后，接下來(lái)必須構(gòu)造傳感器掃描循環(huán)，目的是監(jiān)視相對(duì)于平均值的偏差。從一個(gè)簡(jiǎn)單循環(huán)開始，如圖1流程圖所示。掃描循環(huán)使用中斷來(lái)驅(qū)動(dòng)，并使用兩個(gè)定時(shí)器和頻率偏移檢測(cè)方法。Timer0決定固定的時(shí)間周期T，在該時(shí)間周期內(nèi)，將測(cè)量進(jìn)入Timer1捕捉模塊的正邊沿?cái)?shù)量，然后它產(chǎn)生一個(gè)頻率測(cè)量值。正邊沿?cái)?shù)量越多，說(shuō)明頻率越高。準(zhǔn)備好獲取測(cè)量值時(shí)，Timer0發(fā)生溢出以觸發(fā)中斷，而Timer1會(huì)測(cè)量正邊沿?cái)?shù)量。流程圖的“捕捉讀數(shù)”框顯示了何時(shí)獲取讀數(shù)。

下一步是確定按鈕是否被按下。如果按鈕未被按下，則繼續(xù)對(duì)傳感器讀數(shù)求均值。如果按鈕被按下，則不對(duì)傳感器讀數(shù)求均值，也就是說(shuō)它將繼續(xù)一直跟蹤讀數(shù)(通常這不是所期望的)。然后，通過(guò)在C代碼中使用位標(biāo)志或通過(guò)其他方式，向應(yīng)用程序代碼指示按鈕已被按下。不要在中斷服務(wù)程序(ISR)中調(diào)用需要大量進(jìn)一步計(jì)算的程序——較好的做法是設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，讓主循環(huán)進(jìn)行響應(yīng)。

此時(shí)，如果只有單個(gè)按鍵，則按照基本方法的描述，通過(guò)將定時(shí)器清零或?qū)㈦娙輰?duì)地放電來(lái)重新開始測(cè)量過(guò)程。如果存在多個(gè)按鍵，則按順序掃描每個(gè)按鍵。按照?qǐng)D1中的流程圖，基本的系統(tǒng)可以定期掃描按鍵。

尚待討論的是如何確定按鍵是否被按下。最需要考慮和注意的是圖1中的“按鍵是否被按下?”判斷塊的細(xì)節(jié)。這將在下一步討論。

為了確定按鍵是否被按下，需要先確定滑動(dòng)平均值。確定平均值之后，根據(jù)測(cè)量值相對(duì)于平均值的偏差可以指示按鍵是否被按下。對(duì)于我們的系統(tǒng)，讀數(shù)下降表示按鍵按下。因?yàn)樯婕暗揭恍┉h(huán)境效應(yīng)和其他因素(例如噪聲)，所以必須設(shè)置一定的容限。但是，該系統(tǒng)未提供遲滯值，若讀數(shù)在均值與判決門限值之差附近上下變化，就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)在判定按下與未按下之間來(lái)回振蕩這一糟糕的情形。為了避免這一點(diǎn)，需要包含遲滯值：

if (reading < average – trip) {

Buttons.SENSOR0 = PRESSED;

} else if (reading > average – trip + hyst) {

Buttons.SENSOR0 = UNPRESSED;

}

以上代碼在按鈕釋放中增添了遲滯值，使按鈕不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。這也為電容開關(guān)構(gòu)造了最低程度的消抖功能。機(jī)械按鈕會(huì)在0-VDD之間來(lái)回抖動(dòng)。電容按鈕不會(huì)產(chǎn)生該問(wèn)題;但是，通過(guò)增添遲滯值，按鈕按下的操作與原來(lái)無(wú)異，只是加強(qiáng)了對(duì)按鈕釋放的判斷。這可以產(chǎn)生最低程度的消抖效果，因?yàn)閱未伟聪氯匀豢梢杂|發(fā)按鍵。要進(jìn)一步增強(qiáng)消抖，可以要求連續(xù)幾次的傳感器讀數(shù)均有效，才表示按鈕確實(shí)按下，然后向應(yīng)用程序指示按鈕被按下。這樣可以防止虛假的低讀數(shù)影響系統(tǒng)。

復(fù)雜解碼方案

上面用于確定按鈕是否被按下的解碼方案是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。

對(duì)于百分比按下檢測(cè)，將繼續(xù)使用前面討論的求均值方案。但是，讀數(shù)變量將變換為如下形式：

unsigned long percent;

percent = average – (reading*16);

if (percent < 0) {

percent = 0; // 忽略電容上升

} else {

percent = percent * 1000; // 乘以1000

percent = percent / average; // 結(jié)果使用100.0%的形式

}

結(jié)果變量percent包含0~1000的值，更具體地說(shuō)，值的范圍約為0~200(代表20.0%)。結(jié)果值保持單個(gè)小數(shù)位，因?yàn)楦嘈?shù)位并不會(huì)提高精度。

更換先前的“if”語(yǔ)句，產(chǎn)生類似于以下語(yǔ)句的“if”語(yǔ)句：

#define PCT_ON 50 // >5.0%，打開

#define PCT_OFF 30 // <3.0%，關(guān)閉

if (reading < PCT_ON) {

Buttons.SENSOR0 = PRESSED;

} else if (reading > PCT_OFF) {

Buttons.SENSOR0 = UNPRESSED;

}

下一個(gè)復(fù)雜解碼方案稱為“多鍵表決”。如前面所討論，傳感器不僅會(huì)與手指和周圍的地產(chǎn)生耦合，而且會(huì)相互耦合。因此，觸摸一個(gè)傳感器會(huì)影響另一個(gè)傳感器，但影響程度通常會(huì)低于其他意外激勵(lì)。如果即使影響程度較低，影響仍足以觸發(fā)按下狀態(tài)，會(huì)發(fā)生什么情況?

開發(fā)多鍵表決系統(tǒng)可以幫助解決該問(wèn)題，以及與小鍵盤污染關(guān)聯(lián)的其他問(wèn)題。多鍵表決系統(tǒng)會(huì)選擇按下后受影響最大的按鍵，代價(jià)是多次按下動(dòng)作只能產(chǎn)生單個(gè)按鍵響應(yīng)。例如，如果觸摸會(huì)影響兩個(gè)按鍵，但手指按下的按鍵受到的影響最大，該算法將選擇受影響最大的按鍵。

該算法必須獲取來(lái)自所有可用傳感器的數(shù)據(jù)。舉例來(lái)說(shuō)，假定使用了4個(gè)傳感器。算法還是使用百分比按下檢測(cè)方法，因?yàn)槊總€(gè)傳感器的讀數(shù)可能會(huì)稍有不同，采用相對(duì)與原始值的偏差可以起到一些幫助。系統(tǒng)必須掃描全部4個(gè)傳感器，并在掃描之后執(zhí)行以下步驟：

1. 首先，掃描所有傳感器;

2. 在每次掃描期間，記錄每個(gè)傳感器的受影響百分比;

3. 根據(jù)受影響程度進(jìn)行排序;

4. 基于步驟3，對(duì)索引進(jìn)行排序;

5. 位于數(shù)組單元0的傳感器的受影響程度最高;

6. 確定是否大于最小門限值;

7. 指示按下/未按下。

代碼示例1(略)

最后一個(gè)復(fù)雜解碼方案也是百分比方案。百分比計(jì)算會(huì)占用8位單片機(jī)上可用存儲(chǔ)器總空間中大量的程序和RAM存儲(chǔ)空間，占用。在可能的情況下，最好降低這種存儲(chǔ)器消耗。如果使用較大的數(shù)值，并可以承受一定的分辨率損失，則可以使用一種較簡(jiǎn)單的百分比方法。

通過(guò)使用更多的移位來(lái)代替除法(類似于求均值方案)，可以用如下方式確定平均值的百分比門限值：

threshold = average >> 3; // 傳感器

// 門限值現(xiàn)在為1/8，即12.5%

if (reading < average – threshold)

{...}

以下列出了一些有用的百分比。

threshold = reading >> 1; // 1/2 = 0.500

threshold = reading >> 2; // 1/4 = 0.250

threshold = reading >> 3; // 1/8 = 0.125

threshold = reading >> 4; // 1/16 = 0.063

threshold = reading >> 5; // 1/32 = 0.031

threshold = reading >> 6; // 1/64 = 0.016

threshold = reading >> 7; // 1/128 = 0.008

對(duì)于進(jìn)行移位的每個(gè)位，門限值會(huì)損失一定的舍入分辨率。但是，使用較大的16位數(shù)值時(shí)，對(duì)于1/16的百分比(即6.25%)，損失4個(gè)最低位是可以接受的?，F(xiàn)在，對(duì)于簡(jiǎn)單百分比計(jì)算，可以省去前面使用的unsigned long percent變量，以及執(zhí)行除法所需的額外計(jì)算量。這是另一種并不僅限用于電容觸摸傳感">電容觸摸傳感的技術(shù)，但它對(duì)于觸摸傳感的實(shí)現(xiàn)非常有用。

結(jié)論

有許多方法可以實(shí)現(xiàn)電容觸摸系統(tǒng)，市場(chǎng)上針對(duì)此應(yīng)用推出的各種嵌入式產(chǎn)品充分證明了這一點(diǎn)。關(guān)于這些解決方案有趣的一點(diǎn)是它們基于相同的物理原理，具有共同的基礎(chǔ)。其中一些解決方案采用了不同的布線方式(將地與傳感器組合);許多解決方案涉及到使用專有的材料。但是，電容觸摸傳感">電容觸摸傳感背后的概念是相當(dāng)簡(jiǎn)單的——關(guān)鍵在于在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)需要理解應(yīng)用背后隱含的物理原理。基于這種理解，結(jié)合對(duì)于所用硬件和軟件方案的良好理解，就可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)電容觸摸傳感">電容觸摸傳感系統(tǒng)。

作者：Thomas Perme 微芯科技公司 應(yīng)用工程師