電容式觸摸傳感器的設(shè)計技巧
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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電子產(chǎn)品中機(jī)械式開關(guān)的一種實用、增值型替代方案。
對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，在本文所述的實例中，選用玻璃覆蓋層的厚度為10mm。玻璃易于使用，購買方便，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。
簡單的平行板電容器具有兩個導(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被稱為“邊緣場”。制作實用電容式傳感器的部分難題在于：需要設(shè)計一組印制導(dǎo)線，將上述的邊緣場引導(dǎo)到用戶易接近的有效感應(yīng)區(qū)域中。顯然，對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)生的額外電荷存儲容量就是已知的手指電容CF。無手指觸摸時的傳感器電容用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常見的誤解是：為了使系統(tǒng)正常工作，手指必須接地。實際上，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PCB實現(xiàn)了本例中的一個電容式傳感器按鍵。
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：一個可編程電流源、一個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的多路復(fù)用總線。在本文所討論的系統(tǒng)中，一個弛張振蕩器起著電容傳感器的作用。該振蕩器的簡化電路示意圖如圖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5V工作電源和一個內(nèi)部生成的24MHz系統(tǒng)時鐘。對該24MHz時鐘進(jìn)行1:26分頻，產(chǎn)生一個為實現(xiàn)115,200波特率的TX8模塊時鐘。電容傳感用戶模塊選擇以“周期法”(Period Method)來運行，在該工作模式中，計數(shù)在固定數(shù)量的弛張振蕩器周期中累加。換言之，16位計數(shù)器值代表了一個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，均對Button1的電容進(jìn)行測量。原始計數(shù)值被存儲于CSR_1_iaSwResult[ ]陣列中。用戶模塊還跟蹤一個用于原始計數(shù)的基線。每個按鍵的基線值均為一個由軟件中的IIR濾波器進(jìn)行周期性計算的平均原始計數(shù)值。IIR濾波器的更新速率是可編程的?；€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顯示了固件中實現(xiàn)的差分計數(shù)與按鍵狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
圖6：差分計數(shù)與按鍵狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)
圖7顯示了一個持續(xù)時間為3秒的按鍵觸壓操作的理想原始計數(shù)波形。
圖7：把門限水平繪制在一個去除了基線的原始計數(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)。原始計數(shù)和差分計數(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
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