電容式觸摸感應(yīng)界面實現(xiàn)方案

2. 使用CVD實現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)

電容分壓器（CVD）方法僅使用ADC并通過比較已知的固定內(nèi)部采樣保持電容和未知的可變電容式傳感器來實現(xiàn)基于電壓的測量。

CVD的傳感器結(jié)構(gòu)與典型的傳感器相同，傳感器是PCB上的覆銅區(qū)域或是用于傳感的類似導(dǎo)電焊盤。將傳感器直接連接到ADC通道，并通過特定方式配置ADC和I/O即可。

使用CVD的基本原理包括：首先，通過一個ADC通道將ADC的內(nèi)部采樣/保持電容充電至VDD.然后，將傳感器通道接地，使其處于已知狀態(tài)，如圖4所示。傳感器接地后，需將其重置為輸入。重置完成后，ADC通道立即切換至傳感器。

此操作使采樣/保持電容CHOLD與傳感器電容并聯(lián)，在這兩者之間形成一個分壓器。因此，傳感器電容上的電壓與采樣/保持電容上的電壓相等。對ADC進(jìn)行采樣，其讀數(shù)表示兩個電容之比。當(dāng)手指觸摸感應(yīng)器時，傳感器的電容會增加。因此，傳感器上的電壓將降低，而ADC讀數(shù)則增大。

對于電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)而言，不需要一個絕對的電容讀數(shù)，因為所有的譯碼判決均與基準(zhǔn)讀數(shù)相關(guān)。

開發(fā)固件以消除外部干擾

傳感器上的溫濕度、觸摸程度和污染物以及EMI/EMC干擾等多種因素將會導(dǎo)致電容產(chǎn)生動態(tài)波動，從而影響系統(tǒng)的電容式觸摸感應(yīng)性能。為了應(yīng)對這些影響，可以使用可實現(xiàn)動態(tài)平均值檢測、去抖動和動態(tài)電平跳變的固件。這些技術(shù)將使系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

此外，還必須結(jié)合軟件濾波來消除傳感器焊盤上的任何殘余噪聲，以便固件能夠區(qū)分觸摸與未觸摸狀態(tài)。對算法進(jìn)行設(shè)計還能檢測多個觸摸狀態(tài)，以區(qū)分有意和無意觸摸。然后，可通過校準(zhǔn)軟件來檢測觸摸，即便在電容的觸摸焊盤上有很厚的覆蓋層。

電容式觸摸感應(yīng)參考設(shè)計

圖5所示為電容式觸摸感應(yīng)應(yīng)用的一個參考設(shè)計，這一設(shè)計可以立即幫助用戶著手實現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)。此設(shè)計在實現(xiàn)與USB和LCD等其他外設(shè)接口時，也將提供極大的靈活性。此外，它還有助于減少啟動和運(yùn)行觸摸感應(yīng)系統(tǒng)所需的周轉(zhuǎn)時間。

參考設(shè)計中所用單片機(jī)具有13個ADC通道，因而最多可以連接13個觸摸感應(yīng)器。該設(shè)計中包含了4個電容式觸摸感應(yīng)器，分別被連接到端口A0-A3.CTMU模塊具有一個可編程的電流源，用于為電容式觸摸感應(yīng)器充電。USB插座作為一個總線供電設(shè)備來為應(yīng)用供電，它使用了片上USB引擎。當(dāng)按壓傳感器時，固件可通過在LCD模塊上顯示觸摸感應(yīng)器的相應(yīng)狀態(tài)來提供反饋信息，該LCD模塊由端口D中的引腳驅(qū)動。此外，設(shè)計中還提供了一個6引腳的接頭，用于將參考電路板連接到硬件編程器。

影響有效電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計的因素

電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的引入為實時應(yīng)用帶來了各種挑戰(zhàn)。以下設(shè)計注意事項可幫助減少寄生電容和增加手指電容，最終能夠確保更好的傳感器設(shè)計。

傳感器焊盤的大?。涸O(shè)計電容式傳感器時，傳感器焊盤的形狀并不重要。主要關(guān)心的問題是決定靈敏度的焊盤的面積。焊盤面積越大，靈敏度越高。一般來說，該面積應(yīng)考慮為用戶手指的平均大小（15x15mm）。如果傳感器焊盤的大小大于理想值，會因為更接近地而增加寄生電容。

傳感器之間的間隔：應(yīng)考慮傳感器與臨近傳感器的接近程度。當(dāng)觸摸某個傳感器時，手指不僅對當(dāng)前的傳感器，而且也對其相鄰的傳感器產(chǎn)生了附加電容。因此，要隔離手指電容，相鄰傳感器之間必須留有一定空間。理想情況下，傳感器間隔應(yīng)是電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)覆蓋材料厚度的2~3倍。例如，對于一個典型的電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計來說，如果覆蓋材料的厚度為3mm,那么傳感器之間的距離應(yīng)為6mm到9mm.

走線長度：傳感器和單片機(jī)之間的走線長度不能太長，否則受寄生電容影響的可能性就將越大。這將改變走線阻抗和影響靈敏度。理想情況下，走線長度應(yīng)不超過12英寸（300mm）。

覆蓋材料及其厚度：所使用的覆蓋材料及其厚度將決定傳送到電容式觸摸感應(yīng)器的手指電容。所使用的覆蓋材料必須具有較大的介電常數(shù)以增加靈敏度。此外，還要保證覆蓋材料盡可能地薄。如果覆蓋材料的厚度增加，那么傳感器之間的串?dāng)_效應(yīng)將會增加。

接地技術(shù)：傳感方法將受傳感器與地之間的寄生電容影響。其可通過使地盡量靠近傳感器來予以克服，這將增加寄生電容而降低其對傳感器的影響。

選擇粘合劑：粘合劑用于將覆蓋材料固定到PCB上。所使用的粘合劑應(yīng)盡可能薄以保持較高的靈敏度。在使用粘合劑時應(yīng)小心確保其中沒有空氣泡。在使用粘合劑前應(yīng)仔細(xì)閱讀其粘合使用說明。

本文小結(jié)

觸摸感應(yīng)技術(shù)的最新發(fā)展降低了此流行用戶界面的相關(guān)成本，使其成為消費(fèi)類電子產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品及其他產(chǎn)品的理想選擇。與傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)相比，電容式觸摸感應(yīng)器的主要優(yōu)勢在于它不會像機(jī)械開關(guān)那樣，隨時間的推移而磨損。通過使用單片機(jī)的片上CTMU外設(shè)或CVD技術(shù)，設(shè)計人員便可以最少的元器件并以較低成本來實現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)用戶界面。