电容传感器的快速触摸传感技术

一、测量变化

电容式触摸感应的本质是当物体接近电容器时电容的变化。手指的存在使电容增加

• 1） 引入介电常数相对较高的物质（即人体）
• 2） 提供一个导电表面，与现有电容器平行产生额外电容。

正确的！仅仅是电容的变化并不是特别有用。为了实际执行电容式触摸感应，我们需要一个电路，能够以足够的精度测量电容，从而一致地识别出由于手指的存在而导致的电容增加。有多种方法可以做到这一点，有些相当简单，有些更复杂。在本文中，我们将研究两种实现电容感应功能的一般方法；第一种基于RC（电阻电容）时间常数，第二种基于频率偏移。

二、RC时间常数

当我第一次意识到高等数学实际上与代表充电或放电电容器上的电压的指数曲线有某种关系时，我有一种模糊的大学怀旧感。也许这是我第一次意识到高等数学和现实有某种关系，或者在这个时代葡萄收获机器人放电电容器的简单性吸引人。

在任何情况下，我们知道当电阻或电容改变时，这个指数曲线会改变。假设我们有一个由1米组成的RC电路Ω 电阻和电容式触摸传感器，典型的无指电容为10 pF。

我们可以使用一个通用的输入/输出引脚（配置为输出）为传感器盖充电，使其达到逻辑高电压。接下来，我们需要电容器通过大电阻放电。重要的是要明白不能简单地将输出状态切换到逻辑低。输出端的输入端为低阻抗，输出端为低阻抗。

因此，电容器会通过这个低阻抗快速放电，以至于微控制器无法检测到由电容的微小变化引起的微妙的时序变化。我们需要的是一个高阻抗引脚，它将迫使几乎所有的电流通过电阻放电，这可以通过配置引脚作为输入来实现。因此，首先将引脚设置为逻辑高输出，然后通过改变引脚为输入，启动放电阶段。产生的电压如下所示：

如果有人接触传感器，从而产生额外的3 pF电容，时间常数将增加，如下所示：

放电时间与人类标准相差不大，但现代微控制器肯定能检测到这种变化。假设我们有一个时钟频率为25MHz的计时器；当我们将引脚切换到输入模式时，我们启动计时器。我们可以使用该计时器跟踪放电时间，方法是将同一引脚配置为启动捕获事件的触发器（“捕获”意味着将计时器值存储在单独的寄存器中）。当放电电压超过引脚的逻辑低阈值（例如0.6 V）时，将发生捕获事件。如下图所示，阈值为0.6 V的放电时间差为ΔT=5.2µs。

当计时器时钟源周期为1/（25 MHz）=40 ns时，该ΔT对应于130个滴答声。即使电容的变化减少了10倍，在未接触传感器和接触传感器之间仍然有13个刻度的差异。

所以这里的想法是在监测放电时间的同时对电容器进行反复充放电；如果放电时间超过预定的阈值，微控制器假设一个手指已经“接触”了触控电容器（我把“接触”在引号中，因为手指从未实际接触到上一篇文章中提到的电容器，所以电容器通过焊接掩模和设备外壳与外部环境隔开）。然而，现实生活比这里的理想化讨论要复杂一些；错误来源将在下面的“处理现实”一节中讨论。

三、可变电容器

在基于频移的实现中，电容传感器被用作RC振荡器的“C”部分，使得电容的变化引起频率的变化。输出信号用作计数器模块的输入，计数器模块计算在某个测量周期内出现的上升或下降沿的数量。当接近的手指导致传感器的电容增加时，振荡器的输出信号的频率降低，因此边缘计数也减少。

所谓的弛豫振荡器是一种常用的电路，可用于此目的。它需要一些电阻和比较器，除了触摸敏感电容器；这看起来比上面讨论的充放电技术要麻烦得多，但是如果你的微控制器有一个集成的比较器模块，那也不算太糟。

我不打算详细介绍这个振荡器电路，因为1）它在其他地方讨论过，包括这里和这里；2）当有许多微控制器和离散IC提供高性能电容式触摸感应功能时，似乎不太可能使用振荡器方法。如果你别无选择，只能创建自己的电容式触摸感应电路，我认为上面讨论的充放电技术更简单。否则，选择一个带有专用cap-sense硬件的微控制器，让你的生活简单一点。

Silicon Labs的EFM32微控制器中的电容感应外围设备是基于松弛振荡器方法的集成模块的一个示例：

多路复用器允许振荡频率由八个不同的触摸敏感电容器控制。由于微控制器的工作频率相对于手指移动的速度来说非常高，所以通过快速循环通道，芯片可以同时有效地监控八个触摸敏感按钮。

四、现实

我们必须注意到电容式触觉系统会受到高频和低频噪声的影响。

高频噪声会导致测量的放电时间或边缘计数发生微小的样本间变化。例如，上面讨论的无指充电/放电电路可能具有675个时钟周期、685个时钟周期、665个时钟周期、670个时钟周期等放电时间。这种噪声的重要性取决于预期的手指感应放电时间的变化。如果电容增加30%，ΔT将为130个刻度。如果我们的高频变化只有±10个周期，我们就可以很容易地区分信号和噪声。

然而，电容增加30%可能接近我们可以合理预期的最大变化量。如果我们只有3%的几率，ΔT是13个滴答声，这太接近噪音下限了。减少噪声影响的一种方法是增加信号的大小，您可以通过减少PCB电容器和手指之间的物理间隔来实现这一点。然而，通常机械设计会受到其他因素的限制，所以你必须充分利用你得到的任何信号量。在这种情况下，你需要降低噪音下限，这可以通过平均来实现。

例如，每个新的放电时间可不与先前的放电时间比较，而是与最后4次、8次或32次放电时间的平均值进行比较。上面讨论的频移技术自动包含平均值，因为平均频率周围的微小变化不会显著影响相对于振荡周期较长的测量周期内计数的周期数。

低频噪声是指无指传感器电容的长期变化；这些可能是由环境条件引起的。这种噪声不能平均，因为这种变化可能会持续很长一段时间。因此，有效处理低频噪声的唯一方法就是适应性强：用于识别手指是否存在的阈值不能是固定值。相反，它应该根据测量值定期调整，这些测量值不会显示出明显的短期变化，例如手指的接近引起的变化。

总之，我们注意到电容式触摸感应不需要复杂的硬件或高度复杂的固件。尽管如此，它是一种多功能的、健壮的技术，可以提供比机械替代品更大的性能改进。

五、常见问题

1如何增加电容式传感器？

在大多数情况下，仅仅增加感测面积就可以提高灵敏度。当感应面积受应用限制时，必须增加CCPC电容的值以提高灵敏度。使用更大的触发对象也可以增加灵敏度。

2如何使触摸屏具有电容性？

可能最有趣的材料，可以用来激活电容触摸屏是海绵。它便宜，有效，而且在你使用它的时候可以清洁你的屏幕。但是海绵有点太灵活了，无法制作出有效的触控笔。

3电容式触摸感应是如何工作的？

电容式传感器利用电容器的特性及其电场形成传感器。电容式传感器通过检测电场的任何变化来工作。传感器可以记录触摸或接近、位移以及湿度和液体的液位检测。

4电容式触摸传感器的输出取决于哪个因素？

极板的面积越大，电容就越大。两个极板之间的距离越小，电容就越高。绝缘材料决定介电常数。

5什么是电容式触摸屏？

电容式触摸屏是一种控制显示器，它使用人体手指的导电触摸或专用设备进行输入。目前许多智能手机、平板电脑和其他移动设备都依赖电容触摸，包括Android手机和微软Surface，以及苹果的iPhone、iPad和iPod touch。

6电容式和电阻式触摸屏有什么区别？

与电阻式触摸显示屏不同的是，电容式触摸屏利用人体的自然导电性来操作。这些屏幕是由透明的导电材料制成的，通常ITO涂层在玻璃材料上。

7电容式传感器在哪里使用？

电容式传感器用于制动盘变形的测量。由于高温发展，很少有传感器适合在靠近测量对象的地方工作。电容式传感器检测纳米范围内的变化并测量制动盘的磨损。

8电容式触摸传感器的优点是什么？

表面电容触摸技术的优势在于，它为用户提供了比5线电阻触摸更好的图像质量。这种屏幕往往更耐用，具有优良的防水、防油和防尘性能，以及很高的耐刮擦性。

9电容式触摸屏XY位置的计算方法？

在任何情况下，触摸位置是通过测量X和Y电极之间的信号变化的分布来确定的，然后使用数学算法来处理改变的信号电平，以确定接触点的XY坐标。

10电容式触摸屏使用哪种材料？

与电容式触控电路开路时感应到的压力相比，通过降低数字化仪感应到的大气压力来充当电子“流动”导体的材料。