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電容觸摸傳感的理論框架消費電子

发布时间:2019-12-08 16:12:35

电容触摸传感的理论框架 - 消费电子 - 电子工程

考虑到美观、整洁和成本效益等方面的因素,在包括消费类电子产品、家用电器等在内的许多电子产品中,触摸传感应用正变得越来越流行本文将讨论与电容触摸传感 电容触摸传感工作相关的基本概念,以及如何简便地实现电容触摸传感 电容触摸传感功能

电容的相关物理性质

为了更好地理解在电容触摸传感 电容触摸传感应用的硬件、布线和软件开发中需要采取那些措施,了解它内在的物理性质非常重要控制它的是两个基本公式和一个常识第一个公式(见公式1)用于求电容值,它说明如何根据极板模型使用面积、距离和材料属性来定义电容第二个公式(见公式2)说明电容电压与电流的关系,并引入RC电路的充电速率(等于时间常数τ)第三个公式(见公式3)说明并联电容的总电容值等于两者相加

公式1是双极板电容的模型它适用于触摸传感应用,因为在将手指靠近传感器极板时,手指的作用也类似于一个极板传感器具有一定的标称电容C1(由于走线、附近的地线等原因而产生)将手指靠近时,距离“d”下降,而和A上升,并引入了并联的附加电容“C2”所产生的效果就是传感器线路上的电容上升,上升值等于附加电容C2然后,软件必须通过硬件(向单片机中输入传感器读数)来检测电容变化硬件将利用公式2(充电时间公式)的某种形式向单片机传达传感器读数

传感器设计

传感器设计通常很简单设计布线时,需要注意容性耦合效应及其关联的物理性质焊盘的面积及覆盖在其上方的材料的厚度是最关键的因素对于小键盘类型的应用,传感器的大小应当至少为将手指按平时,指尖面积的大小根据公式1中的面积“A”,传感器较大时,其传感能力通常也较好此外,人们并不一定能够恰当地控制手指的放置位置(从而控制产生的电容),而不同的两个人也不会具有完全相同的电容所以,传感器的容限必须尽可能很大,可以处理遇到的各种触摸情况,同时准确地报告按下状态

有些时候,指尖大小的传感器并不总是最佳的作为一条准则,传感器焊盘上方的材料越厚,焊盘就必须越大,才能检测到是否有手指按下这是因为根据公式1,当传感器焊盘上方的材料厚度增加时,距离“d”就会增大,从而手指的电容就会下降对于需要非常精确的传感器控制的应用(例如,传感器很小),如果材料覆盖层很厚,则最终会限制传感器检查按下状态的能力因此,如果传感器非常小,覆盖层必须尽可能薄此外,如果非常小的传感器相互紧邻,还会产生容性耦合,在传感器之间布置接地电路可以减少这种耦合效应此外,还可以使用一些软件技巧来辨别相互耦合程度很高的传感器

用于捕捉传感器数据并将其转换为数值(读数)的硬件可采用许多方式开发在电容触摸传感 电容触摸传感设计中,用硬件区分不同单片机供应商针对此应用推出的产品根据公式2,可以测量和电流与电压关系有关的3个基本量:

1. 充电至固定电压需要的时间变化量(Δt,固定V);

2. 固定充电时间内的电压变化量(ΔV,固定t);

3. 固定时间周期中的频率变化量(Δf,固定T)

频率测量方案基于充电速率公式(重复许多次),但它对应于较长的周期T,而不是单个充电周期t所以,充电至固定电压需要的时间变化量(Δt,固定V)和固定充电时间内的电压变化量(ΔV,固定t),定义了检测电容变化的基本方法根据需要,可以基于这些基本方法来构造新的测量方案

对于测量充电至固定电压需要的时间变化量这种方法,手指产生的附加电容会增加充电时间(C上升),所以时间读数会相应地上升对于测量固定充电时间内的电平变化量这种方法,附加电容会降低相同时间量内所能达到的电压,所以电压读数会下降最后,对于测量固定时间周期中的频率这种方法,频率会随振荡器RC常数的上升而下降因此,频率读数会下降

本文以频率测量方案为例进行说明,但每个系统都会应用后处理方案使用一种方案时,电容读数可能会上升,而使用另一种方案时,电容读数可能会下降,但这可以在软件中调整选择了硬件方案之后,读数将根据请求输入单片机,或按照软件配置指定的其他时间间隔输入单片机

单片机软件与后处理

单片机中的软件负责处理电容触摸传感 电容触摸传感应用中的许多工作,前提是硬件和传感器均正常工作传感器和整个系统的质量越好,软件的实现就越简单开发软件之前,需要记住每个传感器都具有一定的固有寄生电容:Cp(或公式3中的C1)因此,每个传感器都可以检测到某个标称值通过观察传感器的输出,可以直观方便地确定它,但必须先在软件中设定该标称值,然后才能以此为基准计算相对于它的偏差实现它的最好方式是创建一个滑动平均值——即,16 点平均值通过存储先前16个值来计算平均值的效率很低,所以改为使用一种看起来较复杂,但计算较简单、可节省存储空间的求均值方法

与具有极强计算能力的较大的计算机处理器相比,单片机通常在这方面受到限制与实际执行除法相比,使用移位、加法和减法可以降低性能损失此外,这个求均值程序并不仅限用于电容触摸传感 电容触摸传感——它对于8位单片机的很多应用都非常有用

确定了平均值后,接下来必须构造传感器扫描循环,目的是监视相对于平均值的偏差从一个简单循环开始,如图1流程图所示扫描循环使用中断来驱动,并使用两个定时器和频率偏移检测方法Timer0决定固定的时间周期T,在该时间周期内,将测量进入Timer1捕捉模块的正边沿数量,然后它产生一个频率测量值正边沿数量越多,说明频率越高准备好获取测量值时,Timer0发生溢出以触发中断,而Timer1会测量正边沿数量流程图的“捕捉读数”框显示了何时获取读数

下一步是确定按钮是否被按下如果按钮未被按下,则继续对传感器读数求均值如果按钮被按下,则不对传感器读数求均值,也就是说它将继续一直跟踪读数(通常这不是所期望的)然后,通过在C代码中使用位标志或通过其他方式,向应用程序代码指示按钮已被按下不要在中断服务程序(ISR)中调用需要大量进一步计算的程序——较好的做法是设置一个标志,让主循环进行响应

此时,如果只有单个按键,则按照基本方法的描述,通过将定时器清零或将电容对地放电来重新开始测量过程如果存在多个按键,则按顺序扫描每个按键按照图1中的流程图,基本的系统可以定期扫描按键

尚待讨论的是如何确定按键是否被按下最需要考虑和注意的是图1中的“按键是否被按下?”判断块的细节这将在下一步讨论

为了确定按键是否被按下,需要先确定滑动平均值确定平均值之后,根据测量值相对于平均值的偏差可以指示按键是否被按下对于我们的系统,读数下降表示按键按下因为涉及到一些环境效应和其他因素(例如噪声),所以必须设置一定的容限但是,该系统未提供迟滞值,若读数在均值与判决门限值之差附近上下变化,就会出现系统在判定按下与未按下之间来回振荡这一糟糕的情形为了避免这一点,需要包含迟滞值:

if (reading average – trip) {

NSOR0 = PRESSED;

} else if (reading average – trip + hyst) {

NSOR0 = UNPRESSED;

}

以上代码在按钮释放中增添了迟滞值,使按钮不会产生振动这也为电容开关构造了最低程度的消抖功能机械按钮会在0-VDD之间来回抖动电容按钮不会产生该问题;但是,通过增添迟滞值,按钮按下的操作与原来无异,只是加强了对按钮释放的判断这可以产生最低程度的消抖效果,因为单次按下仍然可以触发按键要进一步增强消抖,可以要求连续几次的传感器读数均有效,才表示按钮确实按下,然后向应用程序指示按钮被按下这样可以防止虚假的低读数影响系统

复杂解码方案

上面用于确定按钮是否被按下的解码方案是相当简单的

对于百分比按下检测,将继续使用前面讨论的求均值方案但是,读数变量将变换为如下形式:

unsigned long percent;

percent = average – (reading*16);

if (percent 0) {

percent = 0; // 忽略电容上升

} else {

percent = percent * 1000; // 乘以1000

percent = percent / average; // 结果使用100.0%的形式

}

结果变量percent包含0~1000的值,更具体地说,值的范围约为0~200(代表20.0%)结果值保持单个小数位,因为更多小数位并不会提高精度

更换先前的“if”语句,产生类似于以下语句的“if”语句:

#define PCT_ON 50 // 5.0%,打开

#define PCT_OFF 30 // 3.0%,关闭

if (reading PCT_ON) {

NSOR0 = PRESSED;

} else if (reading PCT_OFF) {

NSOR0 = UNPRESSED;

}

下一个复杂解码方案称为“多键表决”如前面所讨论,传感器不仅会与手指和周围的地产生耦合,而且会相互耦合因此,触摸一个传感器会影响另一个传感器,但影响程度通常会低于其他意外激励如果即使影响程度较低,影响仍足以触发按下状态,会发生什么情况?

开发多键表决系统可以帮助解决该问题,以及与小键盘污染关联的其他问题多键表决系统会选择按下后受影响最大的按键,代价是多次按下动作只能产生单个按键响应例如,如果触摸会影响两个按键,但手指按下的按键受到的影响最大,该算法将选择受影响最大的按键

该算法必须获取来自所有可用传感器的数据举例来说,假定使用了4个传感器算法还是使用百分比按下检测方法,因为每个传感器的读数可能会稍有不同,采用相对与原始值的偏差可以起到一些帮助系统必须扫描全部4个传感器,并在扫描之后执行以下步骤:

1. 首先,扫描所有传感器;

2. 在每次扫描期间,记录每个传感器的受影响百分比;

3. 根据受影响程度进行排序;

4. 基于步骤3,对索引进行排序;

5. 位于数组单元0的传感器的受影响程度最高;

6. 确定是否大于最小门限值;

7. 指示按下/未按下

代码示例1(略)

最后一个复杂解码方案也是百分比方案百分比计算会占用8位单片机上可用存储器总空间中大量的程序和RAM存储空间,占用在可能的情况下,最好降低这种存储器消耗如果使用较大的数值,并可以承受一定的分辨率损失,则可以使用一种较简单的百分比方法

通过使用更多的移位来代替除法(类似于求均值方案),可以用如下方式确定平均值的百分比门限值:

threshold = average 3; // 传感器

// 门限值现在为1/8,即12.5%

if (reading average – threshold)

{...}

以下列出了一些有用的百分比

threshold = reading 1; // 1/2 = 0.500

threshold = reading 2; // 1/4 = 0.250

threshold = reading 3; // 1/8 = 0.125

threshold = reading 4; // 1/16 = 0.063

threshold = reading 5; // 1/32 = 0.031

threshold = reading 6; // 1/64 = 0.016

threshold = reading 7; // 1/128 = 0.008

对于进行移位的每个位,门限值会损失一定的舍入分辨率但是,使用较大的16位数值时,对于1/16的百分比(即6.25%),损失4个最低位是可以接受的现在,对于简单百分比计算,可以省去前面使用的unsigned long percent变量,以及执行除法所需的额外计算量这是另一种并不仅限用于电容触摸传感 电容触摸传感的技术,但它对于触摸传感的实现非常有用

结论

有许多方法可以实现电容触摸系统,市场上针对此应用推出的各种嵌入式产品充分证明了这一点关于这些解决方案有趣的一点是它们基于相同的物理原理,具有共同的基础其中一些解决方案采用了不同的布线方式(将地与传感器组合);许多解决方案涉及到使用专有的材料但是,电容触摸传感 电容触摸传感背后的概念是相当简单的——关键在于在实现设计时需要理解应用背后隐含的物理原理基于这种理解,结合对于所用硬件和软件方案的良好理解,就可以简便地实现电容触摸传感 电容触摸传感系统

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