电容触摸传感的理论框架

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，应用正变得越来越流行。本文将讨论与触摸传感">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哪些措施，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) {

　　Buttons.SENSOR0 = PRESSED;

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

　　Buttons.SENSOR0 = 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) {

　　Buttons.SENSOR0 = PRESSED;

　　} else if (reading > PCT_OFF) {

　　Buttons.SENSOR0 = 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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彭丞峥

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