电容触摸传感(精选7篇)
电容触摸传感 篇1
稳健的电容式触摸传感技术可以透过金属和手套工作, 不受液体的影响
美国微芯科技公司宣布推出业界第一个也是唯一的一项可以以金属为前面板的电容式触摸传感技术。这一免版税的稳健技术基于最初成功发布的mTouch电容式触摸传感技术, 目前能够透过手套和表面有液体的情况下工作, 它也可以使盲文用于电容式触摸传感界面。设计人员可以将mTouch电容式触摸传感功能与其现有的应用代码一起集成于8位、16位或32位PIC单片机 (MCU) , 从而降低系统总成本。现在, 关于实现这些新功能的资料均可从Microchip的在线触摸传感设计中心 (http://www.microchip.com/get/4JJ0) 下载。
作为传统按钮式用户界面的替代方法, 触摸传感技术不断获得市场青睐, 因为它可以实现一个完全密封的、时尚的外观设计。mTouch电容式触摸传感用户界面的主要应用包括可能需要不锈钢前面板的家电市场, 希望技术稳健的工业市场, 以及推崇技术时尚美观的汽车市场。低功耗mTouch电容式触摸传感技术的工作电流小于5μA, 有助于降低整体功耗。
Microchip安防、单片机和技术开发部副总裁Steve Drehobl表示:“mTouch电容式触摸传感技术使客户能够轻松、低廉地在其设计中增加触摸传感界面。设计人员可以利用其现有的硬件和软件在应用中实现免版税技术, 即使金属前面板上有液体, 或者用户戴着厚手套也能正常工作。”
低成本电容式触摸按键设计 篇2
触摸输入方式已经在许多的领域得到了应用,例如手机触摸屏、MP3触摸滑条、抽油烟机触摸按键等。触摸输入方式采用非接触式按键技术,相对于普通的机械式按键,有更长的使用寿命,并且可靠性不会随着时间的增加而降低[1]。其次,触摸控制器还有开发周期短、研发成本低的优点。
根据采用触摸传感器类型的不同,触摸输入方式可以分为电阻式、电波式(如表面声波)、光学式(红外线)、电感式、电容式和电磁式等几种类型。每一类型都有自己的优缺点以及适用场合。近年来,电容式触摸输入方式凭借其工艺成本低、触摸检测方便和硬件免维护等特点,成为触摸输入方式的主要选择。传统的触摸按键技术采用一些专有的芯片,例如Cypress公司的Cap Sense型芯片CY8C21x34,利用内部特有的CSD模块,根据电磁感应的原理和张弛振荡器技术实现电容感应触摸,但是专有芯片价格过高。
本研究采用通用型的PSo C微处理器,构建低成本的电容式触摸系统。电容式触摸按键技术电路简单,只需要一个微处理器和一些外围电路就可以实现按键检测和控制,因此特别适用于许多家用电器。
1 电容式触摸控制原理
PCB板上的金属层Capsense到地GND之间有个分布式电容CP,如图1所示。电路板上方的表面覆盖层一般用玻璃或者塑料。要使触摸按键正常工作,厚度一般不得大于5 mm。当手指接触到表面覆盖物后,手指与金属层产生一个大小为CF的耦合电容。如图2所示,这个电容相当于并联到原来的CP之上,因此对于电容传感器,触摸前电容值为CP,触摸后电容变为CP+CF。根据平行板电容的定义,有:
式中,真空介电常数ε0=8.85×10-12C2/N·m2,玻璃的(相对)介电常数εr≈7.8,假设玻璃厚度d为4 mm,电极面积A为1 cm2,可得出CF=17.26 p F。
由此可知,通过测量手指触摸前后PF级电容值的变化,就可以检测触摸按键是否被按下。
2 基于PSo C的电容式触摸按键设计
2.1 整体结构设计
PSo C(Programmable System on Chip)器件是Cypress半导体公司推出的一种可“在系统编程”的片上系统[2],它将一个8位微控制器与可编程数字阵列、模拟阵列集成在一个芯片上。其特点在于既具有8位微控制器的处理能力[3],又具有组成多种可编程数字或模拟用户模块的能力。但与一般单片机不同的是,它几乎不需要外部电路,一片PSo C就可以实现一个电子系统,因此特别适合用于家电中。
PSo C系列微处理器按照其用途分为通用型(如CY8C24423)、Cap Sense型(如CY8C21x34)和USB型(CY8C24x94)[4]。其中Cap Sense型芯片利用内部特有的资源,根据电容感应的原理和张弛振荡器的技术实现触摸感应,Cap Sense技术虽然几乎不需要外围元件,但是芯片内部的CSD模块占用了较多的内部资源(3个数字模块,3个模拟模块),系统的功耗较通用型大。另外,Cap Sense型芯片本身价格比通用型贵大约5~10倍,鉴于以上原因,下面提出使用通用型芯片CY8C24423加上少量外围元件构建低成本触摸控制电路的设计方案。系统的结构如图3所示,首先单片机发出PWM波到触摸按键控制电路,当按键按下时检测到电压变化[5],然后将压降通过单片机的模拟多路复用器AMUX8送入PGA模块放大后再送入AD-INC12处理。如果压降在有效的范围内就认为有按键按下,不同按键的按下选择抽油烟机不同的档位。
2.2 硬件设计
2.2.1 PSo C芯片配置
在PSo C Designer中配置如下,用到的用户模块包括8位脉冲调制PWM8、12位增量型模数转换器ADINC12、可编程增益放大器PGA。另外还有8选1模拟多路复用器AMUX8,它不占用任何PSo C模块[6],提供一个连接至连续时间模块(CT)的8路模拟信号复用器。
全局资源配置:单片机采取5 V供电,最高频率24 MHz。VC1=12 MHz、VC2=1 MHz、Res Mux=(Vdd/2)+/-(Vdd/2);可知PWM8模块采用VC1作为时钟,所以要输出频率为1 MHz,占空比q=10/12的波形。
根据下式:
可得:Period=11,Pulse Width=9,PWM波通过PWM8的Compare Out连接至Port_2_7输出;ADINC12占用两个数字模块,一个开关电容模块SC,需要注意的是3个模块必须使用相同的时钟,否则运行将出现错误。这里统一采用VC2即1 MHz。ADINC12的输入为ACB01,即将PGA的输出作为其输入;PGA模块的输入信号通过AMUX8的Analog Input_Column Mux_n(n=0,1)端口输入。PGA的输出电压为:
式中:VSS=0 V,Gain=1.000。
2.2.2 电容式触摸控制电路设计
根据电容感应的原理,只需测量手指触摸前后电容值的变化,就可以知道是否有按键按下。但是,直接测量PF级的电容变化比较困难,而检测几百毫伏的电压变化要容易得多,所以只需要将电容的变化转化为电压的变化,就可以实现对触摸的检测了[7]。给工作面通上一个电压很低的高频交流信号(1 MHz的PWM波),当手指触摸时就会从触摸区吸走一个很小的电流,于是经过滤波后的输出电压就会有所下降。电容式触摸按键控制电路如图4所示,在电阻R6端输入高频的PWM波,首先通过耦合电容C2滤波,然后经过D1整波。C1通过R11充电,通过R16放电,当手指放到触摸区时,手指吸走一小部分电流,导致C1两端的电压降低。从而KEY处输出电压也会下降,该信号的变化被微处理器的ADC检测到并进行处理。
2.3 软件设计
电容式触摸按键软件部分主要包括:主程序、硬件初始化模块、灵敏度测试调整模块、按键扫描模块以及各个按键子功能模块,程序流程图如图5所示。
系统上电后,由于电压不能立刻到达5 V,但是A/D已经开始采样,可能会导致前几次采样值低于没有按键按下情况的电压均值,而产生按键误判。因此主程序中要编程舍去前几次采样值,经测试舍去前7次采样值便可以解决上电误判问题。通过灵敏度调整模块可以调整按键的灵敏度,以适应不同材料、不同厚度的表面覆盖层[8]。
另外系统设置了低功耗唤醒模式,系统初始化后,当没有按键按下时系统进入休眠模式,经过一段时间的延时后唤醒按键扫描模块,进行按键扫描,如果有按键按下,软件判断是否有效,如果无效按键按下,系统继续进入休眠模式。如果软件判断有效按键按下,那么唤醒系统,触发任务处理进程。当处理完所有的任务后,系统又重新进入休眠状态。该系统通过软件实现每20 ms唤醒一次按键扫描模块,判断是否出现有效按键按下,从而实现低功耗唤醒模式,低功耗同时又能保持在按键按下时能快速地响应。
3 测试与结果
测试环境如下:将系统板密封起来固定好,表面覆盖5 mm的塑料板。经测量,当按键没有按下时,KEY输出波形如图6所示,按键的平均电压在2.68 V左右。当按键按下时,KEY输出波形如图7所示,平均电压降到2.43 V左右,压降有0.25 V左右。因为测量值是在手指放在触摸区一段时间所得,为增加按键的灵敏度,应该取一个小于该值的电压变化作为有效的压降。经过反复的实验测量,该系统能检测到最低压降为0.05 V认为按键按下。在密封好的测试环境下,通过温度测试、湿度测试、水淹测试和电磁干扰测试,最终选取有效阈值为0.08 V,这样既保证了高灵敏度,同时避免了按键误判而降低系统的可靠性。
4 结束语
通过分析电容式触摸的基本原理,提出了使用PSo C通用型芯片设计低成本电容式触摸按键的方案,并给出了具体的软硬件设计方法。系统具有触摸检测灵敏度可调节的特性,提高了触摸的精确度和灵敏度。当不工作时系统进入低功耗唤醒状态[9],这样可以在保证产品正常使用的前提下,最大限度地降低控制器的待机功率,既绿色节能又能大大提高它在手机、MP3、PC外设、遥控等便携式低功耗产品中的推广普及程度[10]。最后的测试结果表明,该触摸按键具有灵敏度高、误操作率低的特点,具有一定的实用价值。
参考文献
[1]陈林.轻松实现电容式触摸感应按键开关设计[J].电子产品世界,2009,16(10):74
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[4]Cypress MicroSystems.CY8C24123,CY8C24223,andCY8C24423 Final Data Sheet[M].Cypress MicroSystems,2004.
[5]叶朝辉,华成英.可编程片上系统(PSoC)原理及实训[M].北京:清华大学出版社,2008:84-92.
[6]高申勇,张颖,曾红.一种电容式触摸输入模块设计[J].杭州电子科技大学学报,2009,29(2):56-60.
[7]袁忠根.一种基于PSoC的电容感应式触摸按键系统的设计与实现[D].上海:上海交通大学,2008:30-42.
[8]韩俊,戎蒙恬.低成本电容式触摸按键设计[J].信息技术,2006,30(8):42-45.
[9]朱明程,李晓滨.PSoC原理与应用设计[M].北京:机械工业出版社,2008.
电容式触摸屏系统解决方案 篇3
通用的触摸屏包括适用于移动设备和消费电子产品的电阻式触摸屏和投射电容式 (projected capacitive) 触摸屏以及用于其他应用的表面电容式 (surface capacitive) 触摸屏、表面声波 (SAW) 触摸屏和红外线触摸屏。
电阻式触摸屏
应用比较多的电阻式触摸屏 (图1) 具有空气间隙和间隔层的两层ITO (Indium Tin Oxide, 铟锡氧化物) 。电阻式触摸屏是大量应用、经过验证、低成本的技术。其缺点是:薄弱的机械性能;堆叠厚, 相对较为复杂;不能检测多个手指的动作;前面板实现方案易损坏;有限的工业设计选项;光学性能不良;需要用户校准。
投射电容式触摸屏
触摸屏的电容触摸控制采用一个用传导物质 (如ITO) 做涂层的表面来存储电荷。传导物质沿屏的X轴和Y轴传导电流。当传导 (如手指) 触摸时控制电场发生变化, 而且可以确定沿水平轴和垂直轴触摸的位置。在带按键触摸位置的应用中, 把分立的传感器放置在特定按键位置的下面, 当传感器的电场被干扰时系统记录触摸和位置。投射电容式触摸屏示于图2。
投射电容式触摸屏比其他触摸屏技术的优势是:
·出色的信噪比;
·整个触摸屏表面具有高精度;
·能够支持多个触摸;
·通过“厚的”电介质材料进行感应;
·无需用户校准。
QTouch技术
QTouch技术是Atmel触摸技术部前身Quantum (量研科技) 的专利。所开发的集成电路技术是基于电荷—传输电容式感测。QTouch IC检测用传感器芯片和简单按键电极之间单连接来检测触摸 (图3) 。QTouch器件对未知电容的感测电极充电到已知电位。电极通常是印刷电路板上的一块铜区域。在1个或多个电荷—传输周期后测量电荷, 就可以确定感测板的电容。在触摸表面按手指, 导致在该点影响电荷流的外部电容。这做为一个触摸记录。也可确定QTouch微控制器来检测手指的接近度, 而不是绝对触摸。判断逻辑中的信号处理使QTouch健全和可靠。可以消除静电脉冲或瞬时无意识触摸或接近引起的假触发。
QTouch传感器可以驱动单按键或多按键。在用多按键时, 可以为每个按键设置1个单独的灵敏电平。可以用不同大小和形状的按键来满足功能和审美要求。
QTouch技术可以采用两种模式:正常或“触摸”模式和高灵敏度或“接近”模式。用高灵敏电荷传输接近感测来检测末端用户接近的手指, 用用户接口中断电子设备或电气装置来启动系统功能。
为了优异的电磁兼容, QTouch传感器采用扩频调制和稀疏、随机充电脉冲 (脉冲之间具有长延迟) 。单个脉冲可以比内部串脉冲间隔短5%以上。这种方法的优点是较低的交叉传感器干扰, 降低了RF辐射和极化率, 以及低功耗。
QTouch器件对于慢变化 (由于老化或环境条件改变) 具有自动漂移补偿。这些器件具有几十的动态范围, 它们不需要线圈、振荡器、RF元件、专门缆线、RC网络或大量的分立元件。QTouch做为一个工程方案, 它是简单、耐用、精巧的方案。
在几个触摸按键互相靠近时, 接近的手指会导致多个按键的电容变化。Atmel专利的邻键抑制 (AKS) 采用迭代技术重复测量每个按键上的电容变化, 比较结果和确定哪个按键是用户想要的。AKS抑制或忽略来自所有其他按键的信号, 提供所选择按键的信号。这可防止对邻键的假触摸检测。
触摸屏系统设计
一个触摸屏系统包括:前面板、传感器薄膜、显示单元、控制器板和集成支持 (图4) 。
Atmel公司提供触摸控制器IC、控制电路板参考设计、传感器参考设计、集成支持和传感器测试设备设计, 而合作伙伴提供传感器薄、传感器和前面板的集成和控制器电路板。
Atmel提供用于1至10个按键和/或滑块/滑轮的器件——QTouch系列;用于多达48个按键和/或滑块/滑轮的器件——QMatrix系列;用于Single Touch和Two Touch触摸屏的器件QFild和QTwo系列。其中采用QT5320/5480器件的简易系统示于图5, 触摸屏、滑块、滑轮和/或按键可由主机通过I2C兼容接口进行选择。
参考文献
[1]冯子龙. Atmel的电容式触摸屏系统解决方案, 2008年10月北京讲演
[2]www.appliance DESIGN.com
[3]www.atmel.com/touchscreen
[4]AT42QT5320 detasheet, Atmel
[5]AT42QT5480 datasheet, Atmel
[6]郑赞.触摸屏多点触摸技术揭秘[J].电子产品世界, 2008.11
电容触摸传感 篇4
电容感应原理
电容式触摸感应原理如图1所示,电路板上两块相邻的覆铜之间存在一个固有的寄生电容Cp,当手指(或其他导体)靠近时,手指和两块覆铜之间又产生新的电容,这些电容相当于并联到原来的Cp之上,当我们把其中一块覆铜连接到PSoC的模拟I/O上,另一块连接到地上,就可以通过测量电容的变化来判断手指的存在。
CapSense触摸感应模组
PSoC系统集成了丰富、高效的电容测量模块——Cap Sense, Cap Sense是根据电容感应原理和CSA/CSD来实现触摸感应,目前PSo C Creator提供了V1.30和V2.10两个版本的Cap Sense。该模组的主要特点有:
(1)支持用户定义的按键、滑条、触摸板和接近电容传感器的组合;(2)提供两种调校方式:SmartSense自动调教和PC GUI手动调校;(3)较强的抗干扰能力;(4)两个可选扫描信道(并行同步)提高了扫描速度;(5)具有屏蔽电极支持。
图2是PSoC Creator集成的CapSense_CSD模组,图3是CapSense_CSD的配置窗口。CapSense_CSD模组的配置相比其他模组配置较为复杂,由图3可以看出CapSense_CSD的配置窗口共有6个标签,每一个标签配置不同的参数,在General标签中有六项内容需要配置:
(1)调校方法(Tuning method)有三个选项供用户选择,分别是无(None)、自动 (SmartSense) 、手动(Manual),大多数情况下选择自动 (SmartSense) 即可,但是在这种模式下,只允许一个CapSense_CSD出现在原理图上;(2)通道数量,此参数制定了实现的硬件扫描通道数量,有2个选项共用户选择,分别是:1(默认)——适合用于1至20个传感器的电路,2——适合用于超过20个传感器的电路;(3)噪声滤波器,在传感器扫描器件,建议使用滤波器来降低噪声的影响,有8钟方案选择,在此不一一列出;(4)防水及检测;(5)时钟输入;(6)扫描时钟,一旦选择时钟输入,此项功能无效。
Widget标签用来配置项目中所需触摸感应器件,如图4,左侧是工具箱,右侧是参数配置区,左侧的工具箱中提供了按键(Buttons)、线性滑条(Linear Sliders)、辐射滑条(Radial Slider)、矩阵按键(Matrix Buttons)、触摸板(Touch Pads)、接近传感器(Proximity Sensors)、普通传感器 (Generics) 等7种可供选择的部件,工具箱正上方三个按钮分别是添加(Add)、移除(Remove)、重命名(Rename)。添加或移出器件的操作方法是:先在左侧的工具箱中选中对应的目标,然后选择工具箱正上方的添加、移出、重命名按钮即可,比如放置一个Buttons, 先选中工具箱中的Buttons,点击Add Button,一个以Button n (n=0, 1, 2…顺序号)为名的按钮加入到工具箱中,要对其重命名的方法有两种:一,双击刚添加的Buttons,在弹出的对话框中输入新的名称,二是选中该Button,单击上方的Rename,在弹出的对话框中输入新的名称即可。要移出的方法与添加重命名的方法一直,先选中该部件,点击Remove按钮即可。在参数配置区,每种部件的配置内容不尽相同,一般分为两部分:General和Turning两部分,在General部分主要是配置传感器的数量,API分辨率和噪声滤波器,而在Turning中,主要配置手指阈值,噪声阈值和扫描分辨率,这几个都很重要,设置不当将直接影响感应效果。
Scan Order标签中设置传感器的扫描顺序,用户可根据设计任务的优先级上下移动传感器的扫描顺序,如图5,这个相对比较简单,在此不做详细叙述。
Advanced标签是高级用户标签,作为初学者,建议先不做此项设置,Turn Helper是调校助手,主要是用来通过PC GUI来手动校准传感器各项特征参数,后期我们将专门介绍该项功能。表1是CapSense的部分常用函数。
3.应用实例
实例内容:放置两个Buttons和一个线性Sliders,两个发光二极管和一个LCD,当系统检测到Buttons上存在指压的时候,对应的发光管点亮,若线性滑条上存在指压,将在LCD上用水平柱状滑条模拟显示指压所在的位置。
(1)新建一个项目,命名为PSOC-CapSense, ,打开原理图文件,放置一个CapSense_CSD模组(放置路径:Cypress Component Catalog→CapSense→CapSense_CSD[V2.10])、一个LCD模组和两个数字字输出端子并分别命名为LED1、LED2,如图6。
(2)参数配置,重点配置CapSense_CSD模组,其他模组的配置前几讲已经做过叙述,对于CapSense_CSD的配置参数如图3和图4所示。
(3)管脚映射和编译,展开系统API函数列表。
(4)打开main.c文件编写以下代码:
(5)编译并下载到实验开发板,用跳线把开发板上的LED1、LED2与P1-5, P1-6连接起来。
(6)给开发板上电,用手指触摸Buttons和Sliders, 观察LED的变化和LCD上的数据显示。图6是笔者的实验现象。
电容触摸传感 篇5
触摸技术如今已经成为信息技术发展的新趋势,由于操控直观、快捷,大大提升了人机互动的效率,被大量用于高端智能手机及平板电脑。触摸控制技术又可分为触摸屏(Touch Screen)技术和触摸按键(Touch Key)技术。 在触摸按键技术方面, 目前主要可分为电阻式触摸按键与电容式感应按键。[1]
电阻式的触摸按键由多块导电薄膜按照按键的位置印制而成,需要在设备表面贴一张触摸薄膜[2]。电阻式触摸按键虽然价格低廉,但其导电薄膜耐用性较低。因此,电容式触摸按键便成了一种理想的替代方案。电容式触摸按键的优点在于它不易受到温度、静电、水、灰尘等外界因素影响,操作准确性高;靠人手感应,整个界面没有按键存在,可使产品更加美观。此外,由于按键没有接点,使用寿命更为长久。
本文主要介绍一种利用PIC12F615单片机实现电容触摸感应的方法,这种方法不需要外围元器件,可以依托内部带有ADC(Analog-to-Digital Converter)单元的PIC单片机,通过软件处理,快速实现触摸感应。这种采用单片机的ADC实现电容式触摸感应的方式,又称为CVD(Capacitive Voltage Divider)方式。
1 电容式感应按键原理
电容感应原理[3]是利用人体的感应电容来检测是否有手指存在, 在没有手指按下时, 按键(连到芯片的管脚) 上由于分布电容等的存在, 因此按键对地存在一定的静态电容, 当人的手指按下或接近按键时, 人体存在一定电容, 人体的这个寄生电容将耦合到按键的静态电容上, 使按键的最终电容值变大,该变化的电容再输入到单片机进行信号的转换, 将变化的电容量转换成某种电信号的变化量, 再由一定的算法来检测和判断这个变化量的程度, 当这个变化量超过一定阈值时, 就认为有手指按下。
2 CVD实现感应的原理
CVD实现感应的原理[4]是采用单片机 ADC的內部采样电容以及电路板上感应点的寄生电容来产生电容电荷的分压效应,分压的大小则视感应点的电容量大小而定,使用单片机的ADC测量分压,再由软件进行处理。如图1所示,首先把采样电容的供电电源切换到VDD,对内部采样电容进行充电,然后切换到感应电容端,这时采样电容开始向感应电容放电到一个平衡电位,ADC将此时采样电容上的电压值进行转换处理。
因为人体的触摸会使感应电容的容量变大,这样在取样电容上测量到的电压就会降低,所以必须预先设定一个有触摸与无触摸输入时的阈值,当采样到的电压值低于阈值时,系统将认为有键按下,如图2所示。
3 利用CVD实现电容触摸感应技术的设计与实现
3.1 硬件电路设计
在利用CVD实现电容触摸感应技术时,单片机内部ADC的分辨率决定了触摸感应系统的分辨率,所以在本系统的设计中,采用PIC12F615[5]中内部集成的10bitADC,选取GP0的第二功能AN0作为模拟通道,用做感应输入端,GP4作为感应输出端,为了便于与外部系统连接,外部利用NPN三极管,设计为开漏输出。选取内部振荡8MHz作为系统时钟,外部触摸焊盘为10mm*10mm,设定ADC采样阈值为0x287,可实现3-5mm可靠触摸感应,并能在20μs内做出响应,硬件电路如图3所示。
3.2 软件设计
在本系统中,利用PIC12F615实现CVD触摸感应时,采用MCU的GP0的第二功能作为模拟输入,当外部有触摸时,该引脚的对地电容将发生改变,并与内部的采样电容进行分压,然后利用片内的ADC进行采样,与阈值进行比较,从而判断是否有键按下,其具体实现过程如下:
(1) 选择系统时钟为内部8MHz,ADC转换时钟为Fosc/2。
(2) 设置GP0为模拟输入,GP2、GP3、GP4为数字输出。
(3) 置GP2为数字输出,并置1,此时对采样电容进行充电。
(4) 将采样电容电源切换到GP0。
(5) 启动ADC,读取GP0引脚的电压值。
(6) 比较采样值与阈值判断是否有键按下。
其程序流程图如图4所示:
5 结束语
CVD方法为我们利用PIC单片机实现电容触摸感应提供了方便,与CTMU(充电时间测量单元),CSM(容性传感模块方式)一样,不需要任何外围设备,可以快速实现数据采样,这种技术的关键是需要单片机的ADC模块实现触摸感应功能。
采用CVD实现触摸感应,关键是硬件实现电路简单,大大节约了硬件成本,可以方便的实现非接触式感应,且响应时间更快(10μs~20μs)。利用MCU的内部ADC进行软件处理,抗干扰能力比较强。该技术方案已正常通过电磁兼容测试并在实际中得到了应用。
参考文献
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[4]Thomas Perme,Dieter Peter.Capacitive Touch Using Only an ADC(CVD)[EB/OL].2009.http://www.datasheetarchive.com/datasheet-pdf/075/DSAE004486.html.
电容触摸传感 篇6
随着电子科学技术的不断发展,触摸输入方式已经在众多领域得到了应用。传统的普通机械按键使用寿命只有十几万次,相比之下,由于触摸输入方式采用非接触式按键技术,其使用寿命远远超过机械按键,可靠性也不会随着时间的增加而降低。另外,触摸按键的外观简洁、操作方便、灵敏准确等优点,也使得触摸按键输入方式具有很高的实用性和操控性,以及很好的发展前景[1]。
触摸输入方式可以根据选用的触摸传感器类型的不同而分为电阻式、电波式、电磁式、光学式、电感式和电容式。以上每种触摸方式都有着其独特的性能优点,从而可以适用于不同场合[2]。而电容式触摸输入方式的制造工艺成本低廉、检测便捷准确,并且硬件免维护,因此作为最主要的触摸输入方式。本文利用芯片的GPIO口模拟PWM输出控制RGB三色LED灯头配比出七种颜色的灯光效果,并采用电容式触摸按键技术实现开关机、颜色循环和颜色改变的功能,很好地将电容式触摸按键技术与实际应用结合为一体。
1 硬件电路设计
1.1 主控模块
按照本设计的特点及需求,选用BF6911AS10电容式触摸按键控制芯片。该芯片共有16个引脚,内含10个电容式触摸感应通道,每个触摸按键都能独立运行,通过芯片内置的升压电路,可方便地调节触摸按键灵敏度,其中有8个通道可复用为GPIO口。该芯片内置主频为24MHz的单片机内核以及用于使外部的输入信号与内部的振荡信号同步的PLL(锁相环)模块;并带有LDO(低压差线性稳压器)模块,可提高电源的信噪比。
电容式触摸是利用人体电流感应进行工作的。当给触摸工作面通上很低电压时,由于人是零电势体,手指在触摸工作面时,手指的电场会和工作面形成耦合电容,而电容在高频电流中变为导通,因此手指会从接触点吸走很小的电流,电容式触摸控制电路则可检测到微弱的电流变化,从而实现按键检测[3]。该芯片内置防水和基线更新算法,可以很好地适应环境变化,从而使得耦合电容较为稳定。因此BF6911AS10是一款适用于需准确而稳定地检测按键信息的芯片。其芯片结构及功能原理框图如图1所示。
1.2 外围硬件模块
系统以BF6911AS10电容式触摸按键控制芯片作为主控,外接6个触摸按键、RGB三色LED灯模块、5V锂电池以及带锂电池充电保护功能的充电电路。
1.2.1 电源模块
电源模块包括锂电池充电电路及锂电池保护电路[4]。充电电路采用QX4054锂电池充电管理控制芯片。该芯片内含高精度比较器、恒流控制电路、充电状态指示电路以及过充过热保护电路。QX4054具有电路集成度高、功能齐全、外接元件少、可靠性高等优点,非常适合便携式设备使用。锂电池保护电路采用DW01芯片,该芯片内置高精度的电压检测与时间延迟电路,可以避免锂电池因过度充放电、电流过大导致电池寿命缩短或电池被破坏。系统采用5V锂电池供电,由于系统整体功耗非常低,因此可保持长时间工作。当电池电压不足时,便可通过DC座插孔对电池进行充电,并配有LED作为充电指示灯。
1.2.2 灯源模块
根据设计所需产生七种不同颜色的彩光,灯源模块采用5V供电的RGB三色LED灯头。RGB灯是以三原色共同交集成像,可以根据需要进行配比混色。由于BF6911AS10不具备三个PWM(脉宽调制)功能的通道,因此只能采用主控的三个GPIO口配合软件编程模拟PWM输出控制RGB三色灯[5]。通过三路模拟PWM功能分别控制红、绿、蓝三种颜色LED灯接通的时间,改变它们的占空比,从而配比成所需的彩虹七色,占空比最高设置为50%。三色灯通道分别由三极管进行驱动并串有限流电阻保护LED灯,灯源模块电路图如图2所示。
图2灯源模块电路图(参见右栏)
1.2.3 触摸按键模块
本设计采用6个触摸按键,集成于一块触摸滑条上。其中1个按键作为多功能点动按键,短按时开关机,长按时则颜色循环渐变。其余5个按键同时支持点动与滑动用于改变灯光颜色。主控通过检测触摸按键信息完成开关机、颜色循环、颜色改变的功能。当主控检测到改变颜色的功能按键被触发时,会调整RBG三色灯各自占空比从而配比输出相对应的颜色。为了使按键检测更加精准,需要在每个触摸通道与主控之间串上2k电阻以减小干扰,同时应尽量保持每个触摸通道与主控距离相等[6]。
2 系统软件设计
系统软件使用C语言编写,采用前后台方式构建和运行。主函数实现了系统前台中电流源自适应调节、按键循环扫描、判断触摸通道、执行通道功能的大循环,流程图如图3所示。
系统初始化包括了Timer 0初始化、I/O口初始化以及触摸通道初始化等。Timer 0初始化中,将其设定为16位定时器,并给定时器0赋以初值。I/O口初始化中设定3个通道为GPIO口用于模拟输出PWM功能,另有6个通道作为触摸按键使用。触摸通道初始化中执行电流源的初始化以及触摸基线初始化。电流源初始化后,通过电流源自适应的调节,可将由环境或噪声等因素对触摸通道扫描造成的干扰进行一定程度的抵消和降低,提高了触摸扫描的精度和稳定性。触摸基线初始化中提供了基线的参考值与误差范围,用于计算并判断被触摸的通道。主循环中将看门狗定时器设定为2.3s定时,需进行喂狗以防程序跑飞或死循环等错误,若未及时喂狗,则系统自动复位。
另有函数用于实现系统后台中断服务功能,包含定时器0中断和按键中断。定时器0中断通过调用其服务子程序调整RGB三色灯各自占空比,控制高低电平时长,配比出相应的颜色;按键中断通过调用其服务子程序进行按键的循环扫描,在扫描过程中,通过程序计算手指触摸值与基线的差值来判断被触摸的通道,从而根据被触摸的不同通道执行其相应的功能。
在6个触摸按键中,1个按键作为多功能点动按键,通过计数方式判断长短按。判断为短按时,程序将Switch变量取反,进行开关机;判断为长按时,程序执行Color变量的累加,进行颜色循环。其余5个触摸按键将其对应的整体触摸通道分配为七份,通过点动或滑动分别实现按顺序排列的彩虹七色。所有功能均需要在开机情况下执行,在颜色循环功能执行过程中,只需触摸任意通道便可退出循环。为了使灯光变化效果更好,程序采用计数方式执行占空比的改变,从而可实现颜色的渐变效果。
3 结语
随着科学技术的不断发展,电容式触摸按键技术已经在众多领域中得到了应用并体现出了其独特的优势,正在逐步替代传统的机械式按键。本文将该技术与实际设计相结合,利用电容式触摸按键完成了七彩灯的多种功能。在实际应用中,触摸按键的精确性决定着它是否能够准确地执行与其相对应的功能,因此该指标非常重要。本系统通过电流源自适应以及设定基线误差范围等方法确保了按键的稳定与准确。同时,不同的触摸面板材质与厚度会对触摸灵敏度造成影响。若触摸灵敏度控制不当,当灵敏度过低时,会造成操作不便甚至操作无效;相反,若灵敏度过高,会造成很多误操作导致系统不受控,所以触摸按键的灵敏度也需要控制。经试用表明,系统可长时间工作、灯光效果优美、颜色渐变效果明显。同时,触摸按键精度准确、稳定性强、灵敏度高,且具有抗环境因素和噪声干扰的能力。
参考文献
[1]周志永,胡建人.低成本电容式触摸按键设计[J].机电工程,2011,28(3):366-368.
[2]韩俊,戎蒙恬.低成本电容式触摸控制设计[J].信息技术,2006(8):42-45.
[3]何燕冬,杨龙,彭涛.电容式触摸感应技术中的电容物理学[J].电子产品世界,2009,16(8):17-18.
[4]丁镔.锂电子电池智能充电过程设计[J].科技信息,2010(21):623-624.
[5]曹冕,胡晨,姚国良.嵌入式系统中自适应背光灯的设计与实现[J].电子器件,2007(1):256-258.
电容触摸传感 篇7
多点电容触摸屏的设计并非轻而易举、唾手可得。严格地讲, 多点电容触摸屏技术还并不是一个完全成熟的技术, 它还是一个处于发展阶段并且不断发展不断完善的技术。对于一个多点电容触摸屏的设计者而言, 在它面前仍然面临着诸多的设计挑战。本文介绍多点电容触摸屏设计有哪些设计挑战, 和如何使用SP方案来帮助设计者面对这些挑战, 使多点电容触摸屏设计比以往更容易。
设计挑战
挑战一
如何将由于手指触摸而产生的微小的互电容变化转化成数字信号, 并具有足够的分辨率?一般地讲, 多点触摸是基于互电容感应原理, 而互电容是发射感应条与接受感应条在交叉点处的寄生电容, 这个电容非常小, 通常在0.2~4pF, 而手指触摸而产生的互电容的变化就更小了。对这种微小的互电容变化的检测, 不仅需要有对电容变化高度灵敏的硬件检测电路以实现微弱模拟电量到数字信号的转换, 同时也需要相应的软件来进行控制协调, 以保证在整个触摸屏上的每一点对手指触摸信号有足够高的灵敏度。
挑战二
如何获得足够快的扫描时间?对于一个M行和N列感应条的单点触摸屏, 使用自电容扫描, 仅需要分别扫描M行和N列后就可以根据每一行和每一列信号来进行计算, 来定位手指在触摸屏上的坐标。它扫描感应条的次数是M+N次。当你使用多触点互电容扫描时, 由于必须是行和列的交叉点扫描, 所以它的扫描次数是M×N次扫描交叉点的次数。对于一个10行20列的3.2寸屏, 自电容扫描只需要10+20=30次, 而互电容扫描却要10×20=200次。当触摸屏的尺寸越来越大时, 扫描次数的增加越来越快。为了使用户有比较好的触摸体验, 它需要每秒至少扫屏50次。这就意味着每一个点的扫描加数据处理的时间必须少于100ms, 这样才能保证有足够快的响应时间。而触摸屏的尺寸越大时, 行和列数目就会越多, 这个时间就更短。
挑战三
触摸按键、触摸滑条和触摸板都使用铜箔作为触摸感应器, 但触摸屏基本上都使用ITO (铟锡氧化物) 材料作为触摸感应层。铜箔的电阻率极小, 因而它的电阻几乎可以忽略不计。ITO透明而导电, 但ITO却有比较高的电阻率。通常在触摸屏上ITO的电阻率用方阻来表示, 即一个单位方块的电阻是多少。一般地, ITO的方块电阻从45~350Ω不等, 取决于触摸屏生产厂家的涂层工艺。由于ITO电阻的存在, 使得在触摸屏上的每一个感应条的近端和远端会有3k~30kΩ的电阻, 这个电阻结合每一个感应条上的自电容所产生的RC延迟, 就使感应条的近端和远端会对发射的信号有不同的响应时间或者充放电时间, 进而导致在近端和远端的手指触摸信号有大小的不同。严重的情况, 这种不同可以达到50%以上。如何消除或减少这个差异, 是多点电容触摸屏设计的第三个挑战。虽然选择方阻更低的ITO涂层是减少这个差异最直接的方法, 但通常方阻更低的ITO涂层的厚度会更厚, 导致透明度的下降和成本的增加。对很多终端客户来讲是不可接受的。
挑战四
信噪比 (SNR) 是多点电容触摸屏设计中最重要的指标之一。对一个触摸屏来讲, 有足够大的手指信号是远远不够的。事实上, 触摸屏并非置身于象牙塔内, 在它的周围有诸多的噪声源。比如, 紧贴在它下面的LCD就是一个噪声源, 不同的LCD甚至不同的显示画面, 其噪声的大小和频谱都不一样。尤其是对有些AC Vcomm类型的LCD, 它能够在LCD的表面产生高达15nA/mm2的电流噪声和1V以上的电压噪声。虽然一个ITO的屏蔽层被放在触摸屏的下面的方案被一些设计者所采用, 但屏蔽层的增加, 导致触摸屏厚度的增加和成本的增加, 也一定程度影响了可视性。并非所有的终端客户都可以接受。手机本身的射频信号和外界的电磁波也会对其产生干扰。当采用触摸屏的终端采用外部市电供电时, 通过来自电网和电源适配器可能产生很大的共模噪声。还有使人感到棘手的充电器噪声, 触摸屏及系统本身所产生的噪声如AD转换带来噪声、开关噪声以及电源噪声和ESD测试所使用的8千伏ESD (静电放电) 噪声。在这么一个多噪声的环境中, 如何使触摸屏系统对各种噪声源的噪声有很好的噪声免疫力获得足够高的信噪比是多点电容触摸屏设计的第四个挑战。
挑战五
手指定位精度是多点电容触摸屏设计的第五个挑战。现在的终端客户对手指在触摸屏上的定位精度要求越来越高, 尤其在触摸屏边缘上定位精度。我们知道通常使用质心算法来实施手指的定位计算。然而由于电容触摸屏在边缘上的感应单元的不完整性和手指在边缘上先天地缺失半边的权重信号, 在触摸屏的边缘仍然使用质心算法将带来较大的误差。因此, 改进手指定位的算法, 不仅适用于触摸屏的中间区域, 同时适用于触摸屏的边缘区域使手指触摸的定位更准确是多点电容触摸屏设计必须面对的挑战。
挑战六
多点触摸手势识别和跟踪。多点电容触摸屏就是为了多点触摸和手势识别而设计的。一般使用最多可以识别十个手指的触摸。最常用的手势为一或二个手指的手势。它不仅要能识别单触点的十四种手势 (上、下、左、右、左上、左下、右上、右下、左旋、右旋、单击、双击、点住和抬起) , 而且要能识别双触点的二十七种手势 (双触点上移、双触点下移、双触点左移、双触点右移、双触点左上移、双触点左下移、双触点右上移、双触点右下移、、双触点缩小、双触点放大、双触单击、一触一上移、一触一下移、一触一左移、一触一右移、一触一左上移、一触一左下移、一触一右上移、一触一右下移、一触一左下左拐、一触一右下右拐、一触一右下左拐、一触一右上右拐、一触一Z形移、一触一三角移、一触一正方移和一触一画圆) 。此外, 在多于两个手指触摸时要能实时地跟踪这些手指的移动, 赋予每一个触摸手指的临时识别代码不能搞错。它对手势识别算法的设计和芯片的运算速度都是一个实实在在的挑战。
挑战七
低功耗。任何使用电池供电的移动设备对其每一个功能单元设计的功耗要求都会非常苛刻, 尤其是在当下的低碳时代。多点电容触摸屏作为移动设备中的一个功能单元当然也不会例外。要使多点电容触摸屏在完全激活的情况下功耗小于35mW、在待机的状态下功耗小于100uW并非是一件容易的事。如果一个多点电容触摸屏的设计不能达到这个要求, 将会在激烈的市场竞争中处于不利的境地。
挑战八
防水性能是衡量多点电容触摸屏设计性能的标志性指标。似乎使用互电容扫描的多点电容触摸屏具有天然的防水能力, 它并不构成一个设计挑战。为什么这样认为呢?因为使用自电容扫描的触摸屏, 水滴和手指触摸产生的信号变化的方向是相同的, 要将水滴从手指触摸中分辨出来颇费周折。而互电容扫描的触摸屏水滴和手指触摸产生的信号变化的方向正好是相反的, 因为手指触摸使互电容减少, 水滴却使互电容增加。这就给人这样一个错觉:使用互电容扫描的多点电容触摸屏具有天然的防水能力, 因而不需要采用特别的措施去做防水处理。
真实的情况并非如此简单。当水滴滴到互电容屏上时, 确实不会也没有产生误触发, 但当水滴被擦掉以后再用手指触摸原来的地方就不灵了。运气好的时候, 过一段时间可以恢复到原先的手指触摸灵敏度。我们知道一个合格的产品是不允许这样的情况出现的, 更不会去依赖好运气。事实上, 因水而带来的触摸失效的问题不仅仅指水滴, 它还包括水膜和大片的水。
挑战九
怎样克服来自低档充电器的噪声?尤其是在中国市场, 大量的低档充电器被用户所选用。这类充电器所产生的噪声和其他噪声有两个特别的不同:第一是它的噪声在没有手指触摸时并不呈现出来, 仅当触摸时才显现出来并且非常的强烈, 使得一个有效的触摸变得很不稳定进而变得失效;其次是这个噪声是来自充电器并通过地线传到触摸屏系统的一种共模噪声, 它很难通过普通的硬件滤波来滤掉, 常用的数字滤波对它的滤波效果也不理想。所以必须有一种高级的滤波方法来对付这种低档充电器的噪声。
挑战十
信号的一致性 (SD) 。很多多点电容触摸屏的设计师会遇到这样一个问题, 当他们的设计完成, 样品测试手指触摸信号的强度满足要求。当他们将触摸屏组装进入整机, 甚至准备批量生产时, 一个不大不小的问题会突然出现在他们的面前:使用多点电容触摸屏的手持设备拿在手里时操作正常, 但将它放在桌子上, 触摸功能就不灵了。这就是信号的一致性问题, 或者我们称之为信号的不一致性 (Signal Disparity) , 简称之为SD。它是触摸屏在测试时或者拿在手里时的手指信号幅度和放在桌子上手指触摸信号的幅度不一致造成的。放在桌子上手指触摸信号的幅度会小于在测试时或者拿在手里时的手指信号幅度。当二者的幅度差足够大时, 桌子上手指触摸信号的幅度时不时不能达到和超过手指信号阈值, 一个有效的触摸就不能被捕捉到。这种信号的不一致性在多手指和大手指的情况下会变得非常厉害。因此, 如何解决信号的不一致性问题是多点电容触摸屏的设计第十个挑战。
其他挑战
虽然上面罗列了十个挑战, 但事实上, 多点电容触摸屏的设计还并不仅仅限于这十个挑战。譬如, 为了得到更薄的触摸屏, 一种将ITO感应层直接涂敷在顶层的玻璃上的层叠技术 (简称为Sensor On Lens) 已经开始实施, 这个屏紧贴在LCD屏上, 使得LCD屏上的噪声影响在触摸屏上达到最大。这使多点电容触摸屏的设计面临更为严峻的挑战。
还有, 长时间以来不能在电容触摸屏上使用手写笔一直是电容触摸屏的设计的一个遗憾, 也一直被广大的电容触摸屏用户们耿耿于怀。因为手写笔的笔尖太小, 难以在电容屏上产生足够大的像手指触摸时所产生的耦合电容, 它成为和电阻屏比较最大的先天不足。难道在电容触摸屏上就真的不能使用手写笔吗?难道多点电容触摸屏的设计者对此就真的束手无策了吗?它不仅仅挑战多点电容触摸屏的设计者的技术水平, 更多的是挑战他们的勇气和智慧!
此外, 多点电容触摸屏的设计还要面对触摸屏在使用过程中可能出现的细节问题, 如, 大手指的油炸圈效应;手机上触摸屏打电话时的脸庞的接近和贴近检测。当然, 单芯片、小尺寸、最少的外围元件也是多点电容触摸屏设计方案所必须追求的性能。随着多点电容触摸屏朝着大尺寸屏方向发展, 多点电容触摸屏设计将面对更多新的挑战……
TTSP方案轻松实现多点电容触摸屏的设计
SP是TrueTouch Standard Product的缩写。它是Cypress (赛普拉斯) 为电容触摸屏应用而开发的标准产品。TTSP是基于PSoC并在其中嵌入了专门为多点电容触摸屏而设计的TTUM模块。就像Cypress的PSoC (可编程系统芯片) 一样, 它也是一个数模混合信号处理芯片。TTSP不仅包含了用于检测互电容和自电容的硬件电路模块, 而且包括非常丰富的软件;在它的软件中, 不仅包含用于控制和协调硬件电路工作的程序, 而且包括各种各样的信号处理和多种算法程序, 还有与主控芯片的通信程序和Bootloader程序。对于一个多点电容触摸屏设计而言, 它是一个真正的单芯片解决方案。
1.容易使用
容易使用是TTSP方案的第一个特点。在TTSP方案中它不需要用户写一行代码。仅需要用户通过管脚定义和设置参数或选择参数就可以得到所有需要的代码。它大致可以分为三步完成这些设置。第一步在PSoC Designer的开发平台上通过TTUM模块的Wizard Form设置触摸屏上感应器排和列的数目并且定义排和列上的每一个感应器到SP芯片上可以用作感应器发射或接受的管脚上。这种定义通过鼠标点击感应器在排和列中的序号并拖动鼠标到代表芯片管脚名称的方块上就可完成。见图2。
在X和Y方向的最大分辨率也在此设定。
2.功能完备
TTSP方案最多可提供十个手指的触摸检测, 四个手指的连续跟踪, 最多可以识别单触点的十四种手势和两个手指的二十七种手势。它不仅可以实施互电容扫描, 也可以实施自电容扫描。事实上它还可以实施互电容和自电容的交替扫描, 正是这种交替扫描的使用, 使多点电容触摸屏的性能得到了提升。多点电容触摸屏的防水功能设计和手写笔的实现就是利用了互电容和自电容的交替扫描和选择性扫描。SP允许用户在同一个触摸屏项目中同时使用触摸按键, 这对有些希望使用与触摸屏加分开的触摸按键的手机用户是非常有益的。
⒊性能良好
TTSP方案不仅有足够高的灵敏度来检测手指的触摸, 它也有足够高的灵敏度来检测手写笔的“触摸”和滑动。
结束语
虽然多点电容触摸屏设计有诸多设计挑战, 但使用SP方案可以帮助设计者轻松面对这些挑战, 使多点电容触摸屏设计比以往更容易、更快。
参考文献
[1]周永宏.带多点触控功能的电容式触摸屏方案[J].世界电子元器件, 2008, (4)
[2]郑赞.触摸屏多点触摸技术揭秘[J].电子产品世界, 2008, (11)