电容式触摸传感器原理

接线图 2024年02月04日 20:18 194 admin

　　电容式触摸传感器检测通过闭合导电物体（例如手指）而发生的电极处的电容变化。电容的传感方法有多种。本项目采用了电容表中使用的积分方法。电容Cx的变化非常小，约为1pF至10pF，但由于电容表已达到20fF的计数分辨率，因此可以轻松检测到。根据原理，被检测物体必须接地以形成 Cx 电路。然而，即使人体与地面隔离，它也能正常工作。可以认为是以下原因。

电容式触摸传感器原理第1张

　　具有一定表面积的导电物体具有自电容。具体而言，C = 4πε 0 r，其中，球形时，ε 0为真空介电常数，r为半径。人体大约有根据 ESD 测试人体模型，自电容为 100pF。与 Cx 相比，这已经足够大了。因此，即使人体没有接地，也可以被认为是接地导体。当然设备也需要有地线或者相当于人体的自电容。然而，它通过各种杂散电容与大地或人体耦合并形成Cx电路。
　　检测器电极（触摸区域）是一块放置在 PCB 上的 10mm 方形铜板，并覆盖有绝缘层（Kapton 胶带）。检测电路采用带有 1M 欧姆上拉电阻的 ATtiny2313。正常状态下的积分时间由上拉寄存器的值以及端口和电极上的杂散电容决定。当用手指触摸电极时，积分时间增加并且可以检测到触摸。实际的积分时间变成几μs到几十μs。
　　首先，校准每个点（由于Cs得到参考时间），然后开始以恒定周期扫描。当积分时间增加并超过阈值时，判断为“检测到”。阈值需要有迟滞，否则半触摸时输出将不稳定。每个点的测量时间等于积分时间，因此可以非常快地完成。
　　电容计通过模拟比较器和输入捕捉功能以一个时钟（100ns）的分辨率测量积分时间。然而，该功能并非在所有 I/O 引脚上都可用。为了在任何 I/O 引脚上实现触摸传感器，积分时间通过软件轮询来测量，分辨率变为 3 个时钟（375ns）。正常状态下计数次数在80次左右，对于触摸开关来说已经足够了。
　　结论
　　因此，我可以确认电容式触摸传感器可以轻松地在通用微控制器上实现。为了保证良好的运行，塑料覆盖层的厚度可达 1 毫米（取决于介电常数）。当ATtiny2313用于触摸传感器模块时，它可以有15个触摸板。本项目使用的控制程序仅供实验使用，并未在嘈杂、潮湿等肮脏环境下进行测试，因此实际使用时可能需要任何抗噪声算法。

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