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考慮到美觀、整潔和成本效益等方面的因素，在包括消費類電子產品、家用電器等在內的許多電子產品中，觸摸傳感應用正變得越來越流行。本文將討論與電容觸摸傳感">電容觸摸傳感工作相關的基本概念，以及如何簡便地實現電容觸摸傳感">電容觸摸傳感功能。 電容的相關物理性質 為了更好地理解在電容觸摸傳感">電容觸摸傳感應用的硬件、布線和軟件開發中需要采取哪些措施，了解它內在的物理性質非常重要。控制它的是兩個基本公式和一個常識。第一個公式(見公式1)用于求電容值，它說明如何根據極板模型使用面積、距離和材料屬性來定義電容。第二個公式(見公式2)說明電容電壓與電流的關系，并引入RC電路的充電速率(等于時間常數τ)。第三個公式(見公式3)說明并聯電容的總電容值等于兩者相加。 公式1是雙極板電容的模型。它適用于觸摸傳感應用，因為在將手指靠近傳感器極板時，手指的作用也類似于一個極板。傳感器具有一定的標稱電容C1(由于走線、附近的地線等原因而產生)。將手指靠近時，距離“d”下降，而和A上升，并引入了并聯的附加電容“C2”。所產生的效果就是傳感器線路上的電容上升，上升值等于附加電容C2。然后，軟件必須通過硬件(向單片機中輸入傳感器讀數)來檢測電容變化。硬件將利用公式2(充電時間公式)的某種形式向單片機傳達傳感器讀數。 傳感器設計 傳感器設計通常很簡單。設計布線時，需要注意容性耦合效應及其關聯的物理性質。焊盤的面積及覆蓋在其上方的材料的厚度是最關鍵的因素。對于小鍵盤類型的應用，傳感器的大小應當至少為將手指按平時，指尖面積的大小。根據公式1中的面積“A”，傳感器較大時，其傳感能力通常也較好。此外，人們并不一定能夠恰當地控制手指的放置位置(從而控制產生的電容)，而不同的兩個人也不會具有完全相同的電容。所以，傳感器的容限必須盡可能很大，可以處理遇到的各種觸摸情況，同時準確地報告按下狀態。 有些時候，指尖大小的傳感器并不總是最佳的。作為一條準則，傳感器焊盤上方的材料越厚，焊盤就必須越大，才能檢測到是否有手指按下。這是因為根據公式1，當傳感器焊盤上方的材料厚度增加時，距離“d”就會增大，從而手指的電容就會下降。對于需要非常精確的傳感器控制的應用(例如，傳感器很小)，如果材料覆蓋層很厚，則最終會限制傳感器檢查按下狀態的能力。因此，如果傳感器非常小，覆蓋層必須盡可能薄。此外，如果非常小的傳感器相互緊鄰，還會產生容性耦合，在傳感器之間布置接地電路可以減少這種耦合效應。此外，還可以使用一些軟件技巧來辨別相互耦合程度很高的傳感器。 用于捕捉傳感器數據并將其轉換為數值(讀數)的硬件可采用許多方式開發。在電容觸摸傳感">電容觸摸傳感設計中，用硬件區分不同單片機供應商針對此應用推出的產品。根據公式2，可以測量和電流與電壓關系有關的3個基本量： 1. 充電至固定電壓需要的時間變化量(Δt，固定V); 2. 固定充電時間內的電壓變化量(ΔV，固定t); 3. 固定時間周期中的頻率變化量(Δf，固定T) 。 頻率測量方案基于充電速率公式(重復許多次)，但它對應于較長的周期T，而不是單個充電周期t。所以，充電至固定電壓需要的時間變化量(Δt，固定V)和固定充電時間內的電壓變化量(ΔV，固定t)，定義了檢測電容變化的基本方法。根據需要，可以基于這些基本方法來構造新的測量方案。 對于測量充電至固定電壓需要的時間變化量這種方法，手指產生的附加電容會增加充電時間(C上升)，所以時間讀數會相應地上升。對于測量固定充電時間內的電平變化量這種方法，附加電容會降低相同時間量內所能達到的電壓，所以電壓讀數會下降。最后，對于測量固定時間周期中的頻率這種方法，頻率會隨振蕩器RC常數的上升而下降。因此，頻率讀數會下降。 本文以頻率測量方案為例進行說明，但每個系統都會應用后處理方案。使用一種方案時，電容讀數可能會上升，而使用另一種方案時，電容讀數可能會下降，但這可以在軟件中調整。選擇了硬件方案之后，讀數將根據請求輸入單片機，或按照軟件配置指定的其他時間間隔輸入單片機。 單片機軟件與后處理 單片機中的軟件負責處理電容觸摸傳感">電容觸摸傳感應用中的許多工作，前提是硬件和傳感器均正常工作。傳感器和整個系統的質量越好，軟件的實現就越簡單。開發軟件之前，需要記住每個傳感器都具有一定的固有寄生電容：Cp(或公式3中的C1)。因此，每個傳感器都可以檢測到某個標稱值。通過觀察傳感器的輸出，可以直觀方便地確定它，但必須先在軟件中設定該標稱值，然后才能以此為基準計算相對于它的偏差。實現它的最好方式是創建一個滑動平均值——即，16 點平均值。通過存儲先前16個值來計算平均值的效率很低，所以改為使用一種看起來較復雜，但計算較簡單、可節省存儲空間的求均值方法。 與具有極強計算能力的較大的計算機處理器相比，單片機通常在這方面受到限制。與實際執行除法相比，使用移位、加法和減法可以降低性能損失。此外，這個求均值程序并不僅限用于電容觸摸傳感">電容觸摸傳感——它對于8位單片機的很多應用都非常有用。 確定了平均值后，接下來必須構造傳感器掃描循環，目的是監視相對于平均值的偏差。從一個簡單循環開始，如圖1流程圖所示。掃描循環使用中斷來驅動，并使用兩個定時器和頻率偏移檢測方法。Timer0決定固定的時間周期T，在該時間周期內，將測量進入Timer1捕捉模塊的正邊沿數量，然后它產生一個頻率測量值。正邊沿數量越多，說明頻率越高。準備好獲取測量值時，Timer0發生溢出以觸發中斷，而Timer1會測量正邊沿數量。流程圖的“捕捉讀數”框顯示了何時獲取讀數。 下一步是確定按鈕是否被按下。如果按鈕未被按下，則繼續對傳感器讀數求均值。如果按鈕被按下，則不對傳感器讀數求均值，也就是說它將繼續一直跟蹤讀數(通常這不是所期望的)。然后，通過在C代碼中使用位標志或通過其他方式，向應用程序代碼指示按鈕已被按下。不要在中斷服務程序(ISR)中調用需要大量進一步計算的程序——較好的做法是設置一個標志，讓主循環進行響應。 此時，如果只有單個按鍵，則按照基本方法的描述，通過將定時器清零或將電容對地放電來重新開始測量過程。如果存在多個按鍵，則按順序掃描每個按鍵。按照圖1中的流程圖，基本的系統可以定期掃描按鍵。 尚待討論的是如何確定按鍵是否被按下。最需要考慮和注意的是圖1中的“按鍵是否被按下?”判斷塊的細節。這將在下一步討論。 為了確定按鍵是否被按下，需要先確定滑動平均值。確定平均值之后，根據測量值相對于平均值的偏差可以指示按鍵是否被按下。對于我們的系統，讀數下降表示按鍵按下。因為涉及到一些環境效應和其他因素(例如噪聲)，所以必須設置一定的容限。但是，該系統未提供遲滯值，若讀數在均值與判決門限值之差附近上下變化，就會出現系統在判定按下與未按下之間來回振蕩這一糟糕的情形。為了避免這一點，需要包含遲滯值： if (reading < average – trip) { Buttons.SENSOR0 = PRESSED; } else if (reading > average – trip + hyst) { Buttons.SENSOR0 = UNPRESSED; } 以上代碼在按鈕釋放中增添了遲滯值，使按鈕不會產生振動。這也為電容開關構造了最低程度的消抖功能。機械按鈕會在0-VDD之間來回抖動。電容按鈕不會產生該問題;但是，通過增添遲滯值，按鈕按下的操作與原來無異，只是加強了對按鈕釋放的判斷。這可以產生最低程度的消抖效果，因為單次按下仍然可以觸發按鍵。要進一步增強消抖，可以要求連續幾次的傳感器讀數均有效，才表示按鈕確實按下，然后向應用程序指示按鈕被按下。這樣可以防止虛假的低讀數影響系統。 復雜解碼方案 上面用于確定按鈕是否被按下的解碼方案是相當簡單的。 對于百分比按下檢測，將繼續使用前面討論的求均值方案。但是，讀數變量將變換為如下形式： unsigned long percent; percent = average – (reading*16); if (percent < 0) { percent = 0; // 忽略電容上升 } else { percent = percent * 1000; // 乘以1000 percent = percent / average; // 結果使用100.0%的形式 } 結果變量percent包含0~1000的值，更具體地說，值的范圍約為0~200(代表20.0%)。結果值保持單個小數位，因為更多小數位并不會提高精度。 更換先前的“if”語句，產生類似于以下語句的“if”語句： #define PCT_ON 50 // >5.0%，打開 #define PCT_OFF 30 // <3.0%，關閉 if (reading < PCT_ON) { Buttons.SENSOR0 = PRESSED; } else if (reading > PCT_OFF) { Buttons.SENSOR0 = UNPRESSED; } 下一個復雜解碼方案稱為“多鍵表決”。如前面所討論，傳感器不僅會與手指和周圍的地產生耦合，而且會相互耦合。因此，觸摸一個傳感器會影響另一個傳感器，但影響程度通常會低于其他意外激勵。如果即使影響程度較低，影響仍足以觸發按下狀態，會發生什么情況? 開發多鍵表決系統可以幫助解決該問題，以及與小鍵盤污染關聯的其他問題。多鍵表決系統會選擇按下后受影響最大的按鍵，代價是多次按下動作只能產生單個按鍵響應。例如，如果觸摸會影響兩個按鍵，但手指按下的按鍵受到的影響最大，該算法將選擇受影響最大的按鍵。 該算法必須獲取來自所有可用傳感器的數據。舉例來說，假定使用了4個傳感器。算法還是使用百分比按下檢測方法，因為每個傳感器的讀數可能會稍有不同，采用相對與原始值的偏差可以起到一些幫助。系統必須掃描全部4個傳感器，并在掃描之后執行以下步驟： 1. 首先，掃描所有傳感器; 2. 在每次掃描期間，記錄每個傳感器的受影響百分比; 3. 根據受影響程度進行排序; 4. 基于步驟3，對索引進行排序; 5. 位于數組單元0的傳感器的受影響程度最高; 6. 確定是否大于最小門限值; 7. 指示按下/未按下。 代碼示例1(略) 最后一個復雜解碼方案也是百分比方案。百分比計算會占用8位單片機上可用存儲器總空間中大量的程序和RAM存儲空間，占用。在可能的情況下，最好降低這種存儲器消耗。如果使用較大的數值，并可以承受一定的分辨率損失，則可以使用一種較簡單的百分比方法。 通過使用更多的移位來代替除法(類似于求均值方案)，可以用如下方式確定平均值的百分比門限值： threshold = average >> 3; // 傳感器 // 門限值現在為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 對于進行移位的每個位，門限值會損失一定的舍入分辨率。但是，使用較大的16位數值時，對于1/16的百分比(即6.25%)，損失4個最低位是可以接受的。現在，對于簡單百分比計算，可以省去前面使用的unsigned long percent變量，以及執行除法所需的額外計算量。這是另一種并不僅限用于電容觸摸傳感">電容觸摸傳感的技術，但它對于觸摸傳感的實現非常有用。 結論 有許多方法可以實現電容觸摸系統，市場上針對此應用推出的各種嵌入式產品充分證明了這一點。關于這些解決方案有趣的一點是它們基于相同的物理原理，具有共同的基礎。其中一些解決方案采用了不同的布線方式(將地與傳感器組合);許多解決方案涉及到使用專有的材料。但是，電容觸摸傳感">電容觸摸傳感背后的概念是相當簡單的——關鍵在于在實現設計時需要理解應用背后隱含的物理原理。基于這種理解，結合對于所用硬件和軟件方案的良好理解，就可以簡便地實現電容觸摸傳感">電容觸摸傳感系統。 |
