本文介紹了一些基本的電容檢測電路配置，并討論了如何處理低頻和高頻噪聲。讓我們看一下這個簡短的視頻，并首先回顧一些關(guān)于電容式傳感器的基本知識。

一、衡量變化

電容式觸摸傳感的本質(zhì)是物體接近電容器時發(fā)生的電容變化。手指的存在使電容增加

1）引入介電常數(shù)相對較高的物質(zhì)（即人肉）

2） 提供一個導電表面，與現(xiàn)有電容器并聯(lián)產(chǎn)生額外的電容。

右！電容變化這一事實并不是特別有用。為了實際執(zhí)行電容式觸摸傳感，我們需要一個能夠以足夠精度測量電容的電路，以一致地識別手指的存在引起的電容增加。有多種方法可以做到這一點，有些非常簡單，有些則更復雜。在本文中，我們將介紹實現(xiàn)電容檢測功能的兩種通用方法;第一個基于RC（電阻電容）時間常數(shù)，第二個基于頻移。

二、RC時間常數(shù)

當?shù)谝淮我庾R到高等數(shù)學實際上與代表充電或放電電容器兩端電壓的指數(shù)曲線有某種關(guān)系時，我體驗到一種模糊的大學懷舊感。也許這是我第一次意識到高等數(shù)學實際上與現(xiàn)實有某種關(guān)系，或者在這個葡萄收獲機器人的時代，放電電容器的簡單性很有吸引力。無論如何，我們知道當電阻或電容發(fā)生變化時，這種指數(shù)曲線會發(fā)生變化。假設(shè)我們有一個RC電路，由一個1

MΩ電阻和一個電容式觸摸傳感器組成，典型的無指電容為10 pF。

我們可以使用通用輸入/輸出引腳（配置為輸出）將傳感器電容充電至邏輯高壓。接下來，我們需要電容器通過大電阻放電。重要的是要了解，您不能簡單地將輸出狀態(tài)切換到邏輯低電平。配置為輸出的I/O引腳將驅(qū)動邏輯低電平信號，即，它將為輸出提供與接地節(jié)點的低阻抗連接。因此，電容將通過這種低阻抗快速放電，如此之快，以至于微控制器無法檢測到電容微小變化產(chǎn)生的細微時序變化。我們需要的是一個高阻抗引腳，它將迫使幾乎所有電流通過電阻放電，這可以通過將引腳配置為輸入來實現(xiàn)。因此，首先將引腳設(shè)置為邏輯高電平輸出，然后通過將引腳更改為輸入來啟動放電階段。產(chǎn)生的電壓將如下所示：

如果有人觸摸傳感器，從而產(chǎn)生額外的3 pF電容，則時間常數(shù)將增加，如下所示：

按照人類標準，放電時間沒有太大區(qū)別，但現(xiàn)代微控制器肯定可以檢測到這種變化。假設(shè)我們有一個時鐘頻率為 25 MHz

的計時器;當我們將引腳切換到輸入模式時，我們啟動計時器。我們可以使用這個定時器來跟蹤放電時間，方法是將同一引腳配置為啟動捕獲事件的觸發(fā)器（“捕獲”意味著將定時器值存儲在單獨的寄存器中）。當放電電壓超過引腳的邏輯低閾值（例如0.6

V）時，將發(fā)生捕獲事件。如下圖所示，閾值為0.6 V時的放電時間差為ΔT = 5.2 μs。

定時器時鐘源周期為 1/（25 MHz） = 40 ns，此 ΔT 對應(yīng)于 130

個時鐘周期。即使電容的變化減少了10倍，未接觸的傳感器和觸摸的傳感器之間仍然會有13個刻度的差異。

所以這里的想法是在監(jiān)控放電時間的同時對電容器反復充電和放電;如果放電時間超過預定閾值，微控制器假定手指與觸敏電容器“接觸”（我把“接觸”放在引號中，因為手指從未真正接觸過電容器——如上一篇文章所述，電容器通過阻焊層和器件外殼與外部環(huán)境隔開）。然而，現(xiàn)實生活比這里提出的理想化討論要復雜一些;錯誤來源將在下面的“處理現(xiàn)實”部分中討論。

三、變頻電容

在基于頻移的實現(xiàn)中，電容式傳感器用作RC振蕩器的“C”部分，因此電容的變化會導致頻率的變化。輸出信號用作計數(shù)器模塊的輸入，該計數(shù)器模塊計算特定測量周期內(nèi)出現(xiàn)的上升沿或下降沿的數(shù)量。當接近的手指導致傳感器電容增加時，振蕩器輸出信號的頻率會降低，因此邊沿數(shù)也會減少。

所謂的松弛振蕩器是可用于此目的的通用電路。除了觸敏電容外，它還需要幾個電阻和一個比較器;這似乎比上面討論的充電/放電技術(shù)要麻煩得多，但是如果您的微控制器具有集成的比較器模塊，則還不錯。

我不打算詳細介紹這個振蕩器電路，因為1）它在其他地方討論，包括這里和這里，2）當有許多微控制器和分立IC提供高性能電容觸摸感應(yīng)功能時，你似乎不太可能想要使用振蕩器方法。如果您別無選擇，只能創(chuàng)建自己的電容式觸摸感應(yīng)電路，我認為上面討論的充電/放電技術(shù)更簡單。否則，通過選擇具有專用電容感應(yīng)硬件的微控制器，使您的生活更簡單一些。

Silicon Labs 的 EFM32 微控制器中的電容檢測外設(shè)是基于松弛振蕩器方法的集成模塊的示例：

多路復用器允許振蕩頻率由八個不同的觸敏電容器控制。通過快速循環(huán)通道，芯片可以有效地同時監(jiān)控八個觸摸感應(yīng)按鈕，因為微控制器的工作頻率相對于手指移動的速度非常高。

四、現(xiàn)實

我們必須注意到，電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)將受到高頻和低頻噪聲的困擾。

高頻噪聲會導致測量的放電時間或邊沿計數(shù)的樣本間差異很小。例如，上面討論的無指充電/放電電路的放電時間可能為 675 個時鐘周期，然后是 685

個時鐘周期，然后是 665 個時鐘周期，然后是 670 個時鐘周期，依此類推。這種噪聲的重要性取決于預期的手指引起的放電時間變化。如果電容增加 30%，則 ΔT

將為 130 個刻度。如果我們的高頻變化只有大約 ±10 個刻度，我們可以很容易地區(qū)分信號和噪聲。

然而，電容增加30%可能接近我們合理預期的最大變化量。如果我們只有 3% 的機會，則 ΔT 為 13

個即時報價，這太接近本底噪聲了。降低噪聲影響的一種方法是增加信號的幅度，您可以通過減少PCB電容器和手指之間的物理間隔來做到這一點。但是，機械設(shè)計通常受到其他因素的限制，因此您必須充分利用您獲得的任何信號幅度。在這種情況下，您需要降低本底噪聲，這可以通過平均來實現(xiàn)。

例如，每個新的放電時間可以不與以前的放電時間進行比較，而是與過去 4 次、8 次或 32

次放電時間的平均值進行比較。上面討論的頻移技術(shù)自動包含平均，因為平均頻率周圍的微小變化不會顯著影響相對于振蕩周期較長的測量周期內(nèi)計數(shù)的周期數(shù)。

低頻噪聲是指無指傳感器電容的長期變化;這些可能是由環(huán)境條件引起的。這種噪聲無法平均，因為這種變化可能會持續(xù)很長時間。因此，有效處理低頻噪聲的唯一方法是適應(yīng)性強：用于識別手指存在的閾值不能是固定值。相反，應(yīng)根據(jù)不表現(xiàn)出顯著短期變化的測量值（例如由手指接近引起的測量值）定期進行調(diào)整。

總而言之，我們注意到電容式觸摸傳感不需要復雜的硬件或高度復雜的固件。盡管如此，它是一種多功能、強大的技術(shù)，與機械替代品相比，可以提供重大的性能改進。