電容式感應觸摸開關設計筆記研究材料

1、如何設計電容式感應觸摸開關電容感應式觸摸開關，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功能的要求。1、 電容式傳感器的基本原理電容傳感技術為開發(fā)人員提供了一種互動的全新方式，在設計一個電容感應觸摸開關時，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，開關的靈敏性必須與多種情況兼容。在設計電容感應式觸摸開關pcb觸點圖形時，各種不同的排板設計對開關靈敏度的影響，包括電容式傳感技術如何使器件具有更高的可靠性及管理電容式傳感技術的控制器如何通過提供更多功能為客戶帶來增值服務和降低維護成

2、本。機械開關比較容易磨損，甚至磨壞產(chǎn)品外殼，導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，采用這種技術的開關器件是替代多種機械開關產(chǎn)品的理想選擇。如下圖所示，電容式開關主要由兩片相鄰的電路極板構成，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，也可以使極板順應各種曲面弧度。構建電容式開關的要素包括：電容器、電容測量電路系統(tǒng)、從電容值轉換成感應狀態(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構。相位開關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不帶任何機械部件，并能輕松順應曲面應用的要求，因而，能夠成為當前各類產(chǎn)品應用的理想技術。利用動態(tài)再配置功能，可以實現(xiàn)硬件的重復使用，在不增加額外成本的情況下，實現(xiàn)更多的系統(tǒng)功能。4、 對開關靈敏度的影響光有一個觸摸感應開關是不能使用的，除非系統(tǒng)能可靠測定開關所處的狀態(tài)。使用機械開關來實現(xiàn)電氣連接是沒有問題的，如果機械開關能合理地連接，那么能正確地決定開或關的狀態(tài)。使用感應觸摸開關時，開關所處的狀態(tài)有時很難明顯界定。電容感應式觸摸開關在實際應用時，可能會出現(xiàn)：當使用者的手指在碰到觸摸開關時，觸摸感應開關端的電容還

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） 連接到開關與mcu之間連線參數(shù)。上述這些條件，對觸摸式感應開關的靈敏度都有直接的影響，因此，必須正確設計感應開關。5、 觸摸感應開關的pcb圖形為了獲得“開關電容pcb圖形”，下圖給出了觸摸感應開關的12種pcb設計圖形。這些感應開關的形狀與尺寸，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電容值。對于觸摸感應式開關來說，一個好的開關應具有好的靈敏度和高的感應電容值，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