電容式觸摸傳感器的設(shè)計(jì)技巧
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觸摸傳感器的廣泛使用已經(jīng)有很多年了。不過，隨著近期混合信號(hào)可編程器件的發(fā)展，使得電容式觸摸傳感器成為各種消費(fèi)電子產(chǎn)品中機(jī)械式開關(guān)的一種實(shí)用、增值型替代方案。
對(duì)于典型的電容式傳感器，規(guī)定其覆蓋層的厚度為3mm或更薄。隨著覆蓋層厚度的增加，來傳感手指的觸摸將變得越來越困難。換句話說，伴隨著覆蓋層厚度的增加，系統(tǒng)調(diào)整過程將必須從“科學(xué)”跨越到“精益求精”。為了說明如何制作一個(gè)能夠提升目前技術(shù)極限的電容式傳感器，在本文所述的實(shí)例中，選用玻璃覆蓋層的厚度為10mm。玻璃易于使用，購(gòu)買方便，而且是透明的，因此您可以看到下面的感應(yīng)墊。玻璃覆蓋層還被直接應(yīng)用于白色家電。
手指電容
所有電容式觸摸傳感系統(tǒng)的核心部分都是一組與電場(chǎng)相互作用的導(dǎo)體。在皮膚下面，人體組織中充滿了傳導(dǎo)電解質(zhì)(一種有損電介質(zhì))。正是手指的這種導(dǎo)電特性，使得電容式觸摸傳感成為可能。
簡(jiǎn)單的平行板電容器具有兩個(gè)導(dǎo)體，其間隔著一層電介質(zhì)。該系統(tǒng)中的大部分能量直接聚集在電容器極板之間。少許能量會(huì)泄露到電容器極板以外的空間，而由這些泄露能量所形成的電場(chǎng)被稱為“邊緣場(chǎng)”。制作實(shí)用電容式傳感器的部分難題在于：需要設(shè)計(jì)一組印制導(dǎo)線，將上述的邊緣場(chǎng)引導(dǎo)到用戶易接近的有效感應(yīng)區(qū)域中。顯然，對(duì)于這種傳感器模式來說，平行板電容器并非上佳之選。
把手指放在邊緣電場(chǎng)的附近將增加電容式傳感系統(tǒng)的導(dǎo)電表面積。由手指所產(chǎn)生的額外電荷存儲(chǔ)容量就是已知的手指電容CF。無手指觸摸時(shí)的傳感器電容用CP來表示。在本文中，它代表寄生電容。
關(guān)于電容式傳感器的一個(gè)常見的誤解是：為了使系統(tǒng)正常工作，手指必須接地。實(shí)際上，手指被傳感的原因在于它帶有電荷，而這與其是否懸空或接地完全無關(guān)。
傳感器的PCB布局
圖1顯示了一塊PCB的頂視圖，該P(yáng)CB實(shí)現(xiàn)了本例中的一個(gè)電容式傳感器按鍵。
圖1：傳感器的PCB頂視圖(online)
圖2顯示了同一種傳感器模式的截面圖。
圖2：傳感器的PCB和覆蓋層截面圖
電容式傳感系統(tǒng)101
該電容式傳感系統(tǒng)的基本元件包括：一個(gè)可編程電流源、一個(gè)精密模擬比較器和一根用來按順序傳輸一組電容式傳感器信號(hào)的多路復(fù)用總線。在本文所討論的系統(tǒng)中，一個(gè)弛張振蕩器起著電容傳感器的作用。該振蕩器的簡(jiǎn)化電路示意圖如圖3所示。
圖3：電容式傳感弛張振蕩器電路
圖4：電容式傳感弛張振蕩器電路的波形
圖5：電容式傳感電路原理圖
PSoC利用程序固件來配置，還采用一個(gè)5V工作電源和一個(gè)內(nèi)部生成的24MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。對(duì)該24MHz時(shí)鐘進(jìn)行1:26分頻，產(chǎn)生一個(gè)為實(shí)現(xiàn)115,200波特率的TX8模塊時(shí)鐘。電容傳感用戶模塊選擇以“周期法”(Period Method)來運(yùn)行，在該工作模式中，計(jì)數(shù)在固定數(shù)量的弛張振蕩器周期中累加。換言之，16位計(jì)數(shù)器值代表了一個(gè)與傳感器電容成正比的周期。
代碼段1(詳見本刊網(wǎng)站)羅列了系統(tǒng)固件的功能。與設(shè)立電容式傳感系統(tǒng)相關(guān)的大部分工作都已被編為一組由C程序來調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)CSR例行程序。例如：CSR_1_Start()負(fù)責(zé)配置PSoC的內(nèi)部布線，以使電流源DAC與模擬多路復(fù)用器相連，而比較器與經(jīng)過正確初始化的PWM和16位計(jì)數(shù)器相連。
調(diào)整傳感器
每次調(diào)用上列程序中的調(diào)用函數(shù)CSR_1_Start()時(shí)，均對(duì)Button1的電容進(jìn)行測(cè)量。原始計(jì)數(shù)值被存儲(chǔ)于CSR_1_iaSwResult[ ]陣列中。用戶模塊還跟蹤一個(gè)用于原始計(jì)數(shù)的基線。每個(gè)按鍵的基線值均為一個(gè)由軟件中的IIR濾波器進(jìn)行周期性計(jì)算的平均原始計(jì)數(shù)值。IIR濾波器的更新速率是可編程的。基線使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)于由于溫度和其它環(huán)境影響而引起的系統(tǒng)中的漂移。
開關(guān)差分陣列CSR_1_iaSwDiff[ ]包含消除了基線偏移的原始計(jì)數(shù)值。利用開關(guān)差值來決定按鍵目前的開/關(guān)狀態(tài)。這可使系統(tǒng)的性能保持恒定，即便在基線有可能隨著時(shí)間的推移而發(fā)生漂移的情況下也是如此。
圖6顯示了固件中實(shí)現(xiàn)的差分計(jì)數(shù)與按鍵狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
圖6：差分計(jì)數(shù)與按鍵狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)
圖7顯示了一個(gè)持續(xù)時(shí)間為3秒的按鍵觸壓操作的理想原始計(jì)數(shù)波形。
圖7：把門限水平繪制在一個(gè)去除了基線的原始計(jì)數(shù)圖上
部分調(diào)整過程還包括選擇電流源DAC的電平以及設(shè)置用于計(jì)數(shù)累加的振蕩器周期數(shù)。在固件中，函數(shù)CSR_1_SetDacCurrent(200, 0)把電流源設(shè)定在其低電流范圍內(nèi)，數(shù)值為200(最高255)，大約對(duì)應(yīng)于14μA。函數(shù)CSR_1_SetScanSpeed(255)把振蕩器周期數(shù)設(shè)定為253(255－2)。原始計(jì)數(shù)和差分計(jì)數(shù)的分析表明：該系統(tǒng)的寄生引線電容CP約為15pF而手指電容CF約為0.5pF?？梢姡种鸽娙菔箍傠娙? 電容傳感器相關(guān)文章:電容傳感器原理
評(píng)論