電容式感應(yīng)觸摸開關(guān)設(shè)計筆記研究材料

1、如何設(shè)計電容式感應(yīng)觸摸開關(guān)電容感應(yīng)式觸摸開關(guān)，需要穩(wěn)定的單火線電源處理以及穩(wěn)定可靠的觸摸感應(yīng)芯片，做到防誤觸發(fā)、防各種電磁干擾、負載干擾、環(huán)境干擾、甚至需要防水防塵等智能觸摸開關(guān)功能的要求。1、 電容式傳感器的基本原理電容傳感技術(shù)為開發(fā)人員提供了一種互動的全新方式，在設(shè)計一個電容感應(yīng)觸摸開關(guān)時，需要考慮許多不同的因素。從以往的使用經(jīng)驗來看，在各種不同的工作條件下，開關(guān)的靈敏性必須與多種情況兼容。在設(shè)計電容感應(yīng)式觸摸開關(guān)pcb觸點圖形時，各種不同的排板設(shè)計對開關(guān)靈敏度的影響，包括電容式傳感技術(shù)如何使器件具有更高的可靠性及管理電容式傳感技術(shù)的控制器如何通過提供更多功能為客戶帶來增值服務(wù)和降低維護成

2、本。機械開關(guān)比較容易磨損，甚至磨壞產(chǎn)品外殼，導(dǎo)致缺口或裂口處侵入污染物。電容式傳感器就不會發(fā)生損壞產(chǎn)品外殼的情況，也不會出現(xiàn)缺口粘連物，更不會出現(xiàn)磨損。因此，采用這種技術(shù)的開關(guān)器件是替代多種機械開關(guān)產(chǎn)品的理想選擇。如下圖所示，電容式開關(guān)主要由兩片相鄰的電路極板構(gòu)成，而根據(jù)物理原理，兩片極板之間會產(chǎn)生電容。如果手指等導(dǎo)體靠近這些極板，平行電容（parallelcapaci-tance）就會與傳感器相耦合。將手指置于電容傳感器上時，電容量會升高；松開手指，電容量則會降低，通過測量電容量就可以判斷手指的碰觸。電容式傳感器由兩片電路極板及相互之間的一定空間所構(gòu)成。這些電路極板可以是電路板的一部分，上面

3、直接覆蓋絕緣層，當然，也可以使極板順應(yīng)各種曲面弧度。構(gòu)建電容式開關(guān)的要素包括：電容器、電容測量電路系統(tǒng)、從電容值轉(zhuǎn)換成感應(yīng)狀態(tài)的局部智能裝置。典型的電容式傳感器電容值介于10-30pf之間。通常來說，手指經(jīng)由1mm絕緣層接觸到傳感器所形成的耦合電容介于1-2pf的范圍。越厚的絕緣層所產(chǎn)生的耦合電容越低。若要傳感手指的碰觸，必須實現(xiàn)能夠檢測到1%以下電容變化的電容傳感電路。增量求和調(diào)制器是一種用于測量電容的高效、簡單的電路，下圖給出了典型的拓撲結(jié)構(gòu)。相位開關(guān)使傳感器電容向積分電容中注入電荷。改電壓持續(xù)升高，直到大于參考電壓為止。比較器轉(zhuǎn)換為高電壓，使放電電阻器開始工作。在積分電壓降至參考電壓以下

4、時，該電阻器停止工作。比較器提供所需的負反饋，使積分電壓與參考電壓相匹配。2、傳感器充電電流在第一階段，傳感電容（csensor）的充電達到供電電壓水平；在第二階段，電荷被傳輸至積分電容（cint）。反饋使積分電容上的電壓接近參考電壓（kvdd）的值。每次啟動該開關(guān)組合都會傳輸一定量的電荷。對于下式顯示的充電電流而言，電荷傳輸?shù)乃俣扰c開關(guān)頻率(fc)成正比。3、 放電電流放電電流通過電阻實現(xiàn)。在比較器高電壓時，會啟動開關(guān)以連接至放電電阻。比較器按一定比例在高、低壓間循環(huán)，以使積分電容電壓等于參考電壓?？蓪⒈容^器為高電壓時的百分比定義為“densityout”，僅在這部分百分比的時間段。有關(guān)電流

5、的計算為在穩(wěn)定狀態(tài)下，充電電流與放電電流必須匹配。設(shè)置ic使其與id相匹配，則得到傳感器電容與密度成正比。已知采樣頻率、放電電阻以及參考電壓（vddk）,只需測量密度就能算出傳感器的電容?？墒箙⒖茧妷号c供電電壓成正比，這樣供電電壓就對電容/密度的計算結(jié)果沒有影響了，這也使得該電路對于電源具有較強的抗波動能力。數(shù)字電路用于檢測密度，下圖給出了這種電路的范例。該脈沖調(diào)制器(pwm)可控制密度輸入至計數(shù)器(enablegate)，如果pwm的脈寬為”m”周期，假設(shè)在這段時間中計數(shù)器積累了”n”個采樣，那么密度則為n/m；如果pwm的脈寬為100個周期，就會得到1/100的分辨率，這個時間在擴大10倍

6、，則得到1110000的分辨率。觀測的周期數(shù)越大，分辨率也就越高。觸摸傳感器電容開關(guān)不帶任何機械部件，并能輕松順應(yīng)曲面應(yīng)用的要求，因而，能夠成為當前各類產(chǎn)品應(yīng)用的理想技術(shù)。利用動態(tài)再配置功能，可以實現(xiàn)硬件的重復(fù)使用，在不增加額外成本的情況下，實現(xiàn)更多的系統(tǒng)功能。4、 對開關(guān)靈敏度的影響光有一個觸摸感應(yīng)開關(guān)是不能使用的，除非系統(tǒng)能可靠測定開關(guān)所處的狀態(tài)。使用機械開關(guān)來實現(xiàn)電氣連接是沒有問題的，如果機械開關(guān)能合理地連接，那么能正確地決定開或關(guān)的狀態(tài)。使用感應(yīng)觸摸開關(guān)時，開關(guān)所處的狀態(tài)有時很難明顯界定。電容感應(yīng)式觸摸開關(guān)在實際應(yīng)用時，可能會出現(xiàn)：當使用者的手指在碰到觸摸開關(guān)時，觸摸感應(yīng)開關(guān)端的電容還

7、沒有充分地充電而手指已經(jīng)離開了觸摸點，那這時開關(guān)的狀態(tài)處于何種狀態(tài)呢？因此，當手碰觸時，為了增加檢測開關(guān)的可靠性，使電容充電最佳化，下列幾項內(nèi)容對充電電容的性能參數(shù)影響較大。（1） 尺寸、形狀和pcb上的開關(guān)放置位置；（2） 連接在pcb和使用者手指之間的材料；（3） 連接到開關(guān)與mcu之間連線參數(shù)。上述這些條件，對觸摸式感應(yīng)開關(guān)的靈敏度都有直接的影響，因此，必須正確設(shè)計感應(yīng)開關(guān)。5、 觸摸感應(yīng)開關(guān)的pcb圖形為了獲得“開關(guān)電容pcb圖形”，下圖給出了觸摸感應(yīng)開關(guān)的12種pcb設(shè)計圖形。這些感應(yīng)開關(guān)的形狀與尺寸，我們將其排列成三列（a-c）、四行(1-4)，其中a列與c列的尺寸是20mm x 20mm，b列的尺寸是15mm x 15mm。a列與b列具有不同的尺寸，但是，走線和距離是相同的；b列與c列也具有不同的尺寸，但是，它們的走線和間隔是按比例增加的。下表給出了不同尺寸與不同形狀的pcb圖形具有不同的感應(yīng)電容值。對于觸摸感應(yīng)式開關(guān)來說，一個好的開關(guān)應(yīng)具有好的靈敏度和高的感應(yīng)電容值，因此，這樣可將走線的寄生電容與電感的影響降到最低，對開關(guān)的影響最小。比較下與圖下表中數(shù)據(jù)可知，a列與c列的pcb圖尺寸相同，但容量卻不同，這是因為在a列與c列的pcb圖形中，在相同的20mm x 2