電容觸摸傳感的理論框架

　　考慮到美觀、整潔和成本效益等方面的因素，觸摸傳感應用在包括消費類電子產(chǎn)品、家用電器等在內(nèi)的許多電子產(chǎn)品中，正變得越來越流行。本文將討論與電容觸摸傳感工作相關的基本概念，以及如何簡便地實現(xiàn)電容觸摸傳感。

　　電容的相關物理性質(zhì)

　　為了更好地理解在電容觸摸傳感應用的硬件、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。控制它的是兩個基本公式和一個常識。第一個公式(見公式1)用于求電容值，它說明如何根據(jù)極板模型使用面積、距離和材料屬性來定義電容。第二個公式(見公式2)說明電容電壓與電流的關系，并引入RC電路的充電速率(等于時間常數(shù)τ)。第三個公式(見公式3)說明并聯(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用，因為在將手指靠近傳感器極板時，手指的作用也類似于一個極板。傳感器具有一定的標稱電容C1(由于走線、附近的地線等原因而產(chǎn)生)。將手指靠近時，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，軟件必須通過硬件(向單片機中輸入傳感器讀數(shù))來檢測電容變化。硬件將利用公式2(充電時間公式)的某種形式向單片機傳達傳感器讀數(shù)。

　　傳感器設計

　　傳感器設計通常很簡單。設計布線時，需要注意容性耦合效應及其關聯(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鍵的因素。對于小鍵盤類型的應用，傳感器的大小應當至少為將手指按平時，指尖面積的大小。根據(jù)公式1中的面積“A”，傳感器較大時，其傳感能力通常也較好。此外，人們并不一定能夠恰好地控制手指的放置位置(從而控制產(chǎn)生的電容)，而不同的兩個人也不會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，同時始終準確地報告按下狀態(tài)。

　　有些時候，指尖大小的傳感器并不總是最佳的。作為一條準則，傳感器焊盤上方的材料越厚，焊盤就必須越大，才能檢測到是否有手指按下。這是因為根據(jù)公式1，當傳感器焊盤上方的材料厚度增加時，距離“d”就會增大，從而手指的電容就會下降。對于需要非常精確的傳感器控制的應用(例如，傳感器很小)，如果材料覆蓋層很厚，則最終會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，還會產(chǎn)生容性耦合。在硬件中，在這樣的傳感器之間布置接地電路可以減少這種耦合效應。此外，還可以使用一些軟件技巧來辨別相互耦合程度很高的傳感器，這將在后面討論。

　　目前為止，本文討論了關于手指為傳感器的標稱寄生電容“Cp”引入附加電容的理論。為了獲取讀數(shù)，還需要另外填入兩個大的功能模塊。第一個是硬件，它將通過某種形式來捕捉電容變化;第二個是軟件，它在傳感器和應用級別解釋系統(tǒng)中發(fā)生的情況。

　　硬件概述

　　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)。在電容觸摸傳感設計中，用硬件區(qū)分不同單片機供應商針對此應用推出的產(chǎn)品。根據(jù)公式2，可以測量和電流與電壓關系有關的3個基本量：

　　1. 充電至固定電壓需要的時間變化量(Δt，固定V)

　　2. 固定充電時間內(nèi)的電壓變化量(ΔV，固定t)

　　3. 固定時間周期中的頻率變化量(Δf，固定T)

　　頻率測量方案基于充電速率公式(重復許多次)，但它對應于較長的周期T，而不是單個充電周期t。所以，充電至固定電壓需要的時間變化量(Δt，固定V)和固定充電時間內(nèi)的電壓變化量(ΔV，固定t)，定義了檢測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構(gòu)造新的測量方案。