一、測(cè)量變化

電容式觸摸感應(yīng)的本質(zhì)是當(dāng)物體接近電容器時(shí)電容的變化。手指的存在使電容增加

• 1） 引入介電常數(shù)相對(duì)較高的物質(zhì)（即人體）
• 2） 提供一個(gè)導(dǎo)電表面，與現(xiàn)有電容器平行產(chǎn)生額外電容。

正確的！僅僅是電容的變化并不是特別有用。為了實(shí)際執(zhí)行電容式觸摸感應(yīng)，我們需要一個(gè)電路，能夠以足夠的精度測(cè)量電容，從而一致地識(shí)別出由于手指的存在而導(dǎo)致的電容增加。有多種方法可以做到這一點(diǎn)，有些相當(dāng)簡單，有些更復(fù)雜。在本文中，我們將研究兩種實(shí)現(xiàn)電容感應(yīng)功能的一般方法；第一種基于RC（電阻電容）時(shí)間常數(shù)，第二種基于頻率偏移。

二、RC時(shí)間常數(shù)

當(dāng)我第一次意識(shí)到高等數(shù)學(xué)實(shí)際上與代表充電或放電電容器上的電壓的指數(shù)曲線有某種關(guān)系時(shí)，我有一種模糊的大學(xué)懷舊感。也許這是我第一次意識(shí)到高等數(shù)學(xué)和現(xiàn)實(shí)有某種關(guān)系，或者在這個(gè)時(shí)代葡萄收獲機(jī)器人放電電容器的簡單性吸引人。

在任何情況下，我們知道當(dāng)電阻或電容改變時(shí)，這個(gè)指數(shù)曲線會(huì)改變。假設(shè)我們有一個(gè)由1米組成的RC電路? 電阻和電容式觸摸傳感器，典型的無指電容為10 pF。

我們可以使用一個(gè)通用的輸入/輸出引腳（配置為輸出）為傳感器蓋充電，使其達(dá)到邏輯高電壓。接下來，我們需要電容器通過大電阻放電。重要的是要明白不能簡單地將輸出狀態(tài)切換到邏輯低。輸出端的輸入端為低阻抗，輸出端為低阻抗。

因此，電容器會(huì)通過這個(gè)低阻抗快速放電，以至于微控制器無法檢測(cè)到由電容的微小變化引起的微妙的時(shí)序變化。我們需要的是一個(gè)高阻抗引腳，它將迫使幾乎所有的電流通過電阻放電，這可以通過配置引腳作為輸入來實(shí)現(xiàn)。因此，首先將引腳設(shè)置為邏輯高輸出，然后通過改變引腳為輸入，啟動(dòng)放電階段。產(chǎn)生的電壓如下所示：

如果有人接觸傳感器，從而產(chǎn)生額外的3 pF電容，時(shí)間常數(shù)將增加，如下所示：

放電時(shí)間與人類標(biāo)準(zhǔn)相差不大，但現(xiàn)代微控制器肯定能檢測(cè)到這種變化。假設(shè)我們有一個(gè)時(shí)鐘頻率為25MHz的計(jì)時(shí)器；當(dāng)我們將引腳切換到輸入模式時(shí)，我們啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。我們可以使用該計(jì)時(shí)器跟蹤放電時(shí)間，方法是將同一引腳配置為啟動(dòng)捕獲事件的觸發(fā)器（“捕獲”意味著將計(jì)時(shí)器值存儲(chǔ)在單獨(dú)的寄存器中）。當(dāng)放電電壓超過引腳的邏輯低閾值（例如0.6 V）時(shí)，將發(fā)生捕獲事件。如下圖所示，閾值為0.6 V的放電時(shí)間差為ΔT=5.2μs。

當(dāng)計(jì)時(shí)器時(shí)鐘源周期為1/（25 MHz）=40 ns時(shí)，該ΔT對(duì)應(yīng)于130個(gè)滴答聲。即使電容的變化減少了10倍，在未接觸傳感器和接觸傳感器之間仍然有13個(gè)刻度的差異。

所以這里的想法是在監(jiān)測(cè)放電時(shí)間的同時(shí)對(duì)電容器進(jìn)行反復(fù)充放電；如果放電時(shí)間超過預(yù)定的閾值，微控制器假設(shè)一個(gè)手指已經(jīng)“接觸”了觸控電容器（我把“接觸”在引號(hào)中，因?yàn)槭种笍奈磳?shí)際接觸到上一篇文章中提到的電容器，所以電容器通過焊接掩模和設(shè)備外殼與外部環(huán)境隔開）。然而，現(xiàn)實(shí)生活比這里的理想化討論要復(fù)雜一些；錯(cuò)誤來源將在下面的“處理現(xiàn)實(shí)”一節(jié)中討論。

三、可變電容器

在基于頻移的實(shí)現(xiàn)中，電容傳感器被用作RC振蕩器的“C”部分，使得電容的變化引起頻率的變化。輸出信號(hào)用作計(jì)數(shù)器模塊的輸入，計(jì)數(shù)器模塊計(jì)算在某個(gè)測(cè)量周期內(nèi)出現(xiàn)的上升或下降沿的數(shù)量。當(dāng)接近的手指導(dǎo)致傳感器的電容增加時(shí)，振蕩器的輸出信號(hào)的頻率降低，因此邊緣計(jì)數(shù)也減少。

所謂的弛豫振蕩器是一種常用的電路，可用于此目的。它需要一些電阻和比較器，除了觸摸敏感電容器；這看起來比上面討論的充放電技術(shù)要麻煩得多，但是如果你的微控制器有一個(gè)集成的比較器模塊，那也不算太糟。

我不打算詳細(xì)介紹這個(gè)振蕩器電路，因?yàn)?）它在其他地方討論過，包括這里和這里；2）當(dāng)有許多微控制器和離散IC提供高性能電容式觸摸感應(yīng)功能時(shí)，似乎不太可能使用振蕩器方法。如果你別無選擇，只能創(chuàng)建自己的電容式觸摸感應(yīng)電路，我認(rèn)為上面討論的充放電技術(shù)更簡單。否則，選擇一個(gè)帶有專用cap-sense硬件的微控制器，讓你的生活簡單一點(diǎn)。

Silicon Labs的EFM32微控制器中的電容感應(yīng)外圍設(shè)備是基于松弛振蕩器方法的集成模塊的一個(gè)示例：

多路復(fù)用器允許振蕩頻率由八個(gè)不同的觸摸敏感電容器控制。由于微控制器的工作頻率相對(duì)于手指移動(dòng)的速度來說非常高，所以通過快速循環(huán)通道，芯片可以同時(shí)有效地監(jiān)控八個(gè)觸摸敏感按鈕。

四、現(xiàn)實(shí)

我們必須注意到電容式觸覺系統(tǒng)會(huì)受到高頻和低頻噪聲的影響。

高頻噪聲會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的放電時(shí)間或邊緣計(jì)數(shù)發(fā)生微小的樣本間變化。例如，上面討論的無指充電/放電電路可能具有675個(gè)時(shí)鐘周期、685個(gè)時(shí)鐘周期、665個(gè)時(shí)鐘周期、670個(gè)時(shí)鐘周期等放電時(shí)間。這種噪聲的重要性取決于預(yù)期的手指感應(yīng)放電時(shí)間的變化。如果電容增加30%，ΔT將為130個(gè)刻度。如果我們的高頻變化只有±10個(gè)周期，我們就可以很容易地區(qū)分信號(hào)和噪聲。

然而，電容增加30%可能接近我們可以合理預(yù)期的最大變化量。如果我們只有3%的幾率，ΔT是13個(gè)滴答聲，這太接近噪音下限了。減少噪聲影響的一種方法是增加信號(hào)的大小，您可以通過減少PCB電容器和手指之間的物理間隔來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。然而，通常機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)受到其他因素的限制，所以你必須充分利用你得到的任何信號(hào)量。在這種情況下，你需要降低噪音下限，這可以通過平均來實(shí)現(xiàn)。

例如，每個(gè)新的放電時(shí)間可不與先前的放電時(shí)間比較，而是與最后4次、8次或32次放電時(shí)間的平均值進(jìn)行比較。上面討論的頻移技術(shù)自動(dòng)包含平均值，因?yàn)槠骄l率周圍的微小變化不會(huì)顯著影響相對(duì)于振蕩周期較長的測(cè)量周期內(nèi)計(jì)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。這種噪聲不能平均，因?yàn)檫@種變化可能會(huì)持續(xù)很長一段時(shí)間。因此，有效處理低頻噪聲的唯一方法就是適應(yīng)性強(qiáng)：用于識(shí)別手指是否存在的閾值不能是固定值。相反，它應(yīng)該根據(jù)測(cè)量值定期調(diào)整，這些測(cè)量值不會(huì)顯示出明顯的短期變化，例如手指的接近引起的變化。

總之，我們注意到電容式觸摸感應(yīng)不需要復(fù)雜的硬件或高度復(fù)雜的固件。盡管如此，它是一種多功能的、健壯的技術(shù)，可以提供比機(jī)械替代品更大的性能改進(jìn)。

五、常見問題

1如何增加電容式傳感器？

在大多數(shù)情況下，僅僅增加感測(cè)面積就可以提高靈敏度。當(dāng)感應(yīng)面積受應(yīng)用限制時(shí)，必須增加CCPC電容的值以提高靈敏度。使用更大的觸發(fā)對(duì)象也可以增加靈敏度。

2如何使觸摸屏具有電容性？

可能最有趣的材料，可以用來激活電容觸摸屏是海綿。它便宜，有效，而且在你使用它的時(shí)候可以清潔你的屏幕。但是海綿有點(diǎn)太靈活了，無法制作出有效的觸控筆。

3電容式觸摸感應(yīng)是如何工作的？

電容式傳感器利用電容器的特性及其電場(chǎng)形成傳感器。電容式傳感器通過檢測(cè)電場(chǎng)的任何變化來工作。傳感器可以記錄觸摸或接近、位移以及濕度和液體的液位檢測(cè)。

4電容式觸摸傳感器的輸出取決于哪個(gè)因素？

極板的面積越大，電容就越大。兩個(gè)極板之間的距離越小，電容就越高。絕緣材料決定介電常數(shù)。

5什么是電容式觸摸屏？

電容式觸摸屏是一種控制顯示器，它使用人體手指的導(dǎo)電觸摸或?qū)Ｓ迷O(shè)備進(jìn)行輸入。目前許多智能手機(jī)、平板電腦和其他移動(dòng)設(shè)備都依賴電容觸摸，包括Android手機(jī)和微軟Surface，以及蘋果的iPhone、iPad和iPod touch。

6電容式和電阻式觸摸屏有什么區(qū)別？

與電阻式觸摸顯示屏不同的是，電容式觸摸屏利用人體的自然導(dǎo)電性來操作。這些屏幕是由透明的導(dǎo)電材料制成的，通常ITO涂層在玻璃材料上。

7電容式傳感器在哪里使用？

電容式傳感器用于制動(dòng)盤變形的測(cè)量。由于高溫發(fā)展，很少有傳感器適合在靠近測(cè)量對(duì)象的地方工作。電容式傳感器檢測(cè)納米范圍內(nèi)的變化并測(cè)量制動(dòng)盤的磨損。

8電容式觸摸傳感器的優(yōu)點(diǎn)是什么？

表面電容觸摸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，它為用戶提供了比5線電阻觸摸更好的圖像質(zhì)量。這種屏幕往往更耐用，具有優(yōu)良的防水、防油和防塵性能，以及很高的耐刮擦性。

9電容式觸摸屏XY位置的計(jì)算方法？

在任何情況下，觸摸位置是通過測(cè)量X和Y電極之間的信號(hào)變化的分布來確定的，然后使用數(shù)學(xué)算法來處理改變的信號(hào)電平，以確定接觸點(diǎn)的XY坐標(biāo)。

10電容式觸摸屏使用哪種材料？

與電容式觸控電路開路時(shí)感應(yīng)到的壓力相比，通過降低數(shù)字化儀感應(yīng)到的大氣壓力來充當(dāng)電子“流動(dòng)”導(dǎo)體的材料。