电容触摸感应原理.pdf

电容感应式触控原理 1． 电容触摸感应基本知识 首先，人体是具有一定电容的。当我们把 PCB 上的铜画成如下形式的时候， 就完成了一个最基本的触摸感应按键。 上图左边，是一个基本的触摸按键，中间圆形绿色的为铜（我们可以称之为 “按键”），在这些按键中会引出一根导线与MCU 相连，MCU 通过这些导 线来检测是否有按键“按下”（检测的方法多种多样，这将在后面章节中谈 到）；外围的绿色也是铜，不过外围的这些铜是与 GND 大地相连的。在“按 键”和外围的铜之间是空隙（我们可以称为空隙 d ）。上图右边是左图的截 面图，当没有手指接触时，只有一个电容 Cp ，当有手指接触时，“按键” 通过手指就形成了电容 Cf 。由于两个电容是并联的，所以手指接触“按键” 前后，总电容的变化率为 C% =  ((Cp+Cf)‐Cp)/Cp = Cf/Cp              ………………公式 1 下图更简单的说明了上述原理。     2． 电容感应触摸器件的参数选择      弄清楚了上述原理后很自然的就会想到下面两个问题： ①   空隙 d 的大小应该为多少呢？即“按键”与地之间的距离为多少？d 的 大小会不会影响“按键”的性能？ ②    “按键”的大小应该为多少呢？它的形状、大小会不会影响“按键” 的性能呢？ 为了弄清楚这两个问题，我们首先介绍公式 2：   在这个公式中 d 就是我们所说的空隙的间距，A 表示的“按键”面积的大 小，C 表示没有手指接触按键时电容的大小 Cp 。显然，空隙间距d 越大，Cp 越 小；面积 A 越大，Cp 越大。已知手指触摸产生的电容范围为 5~15pf，这是一个 非常小的容值。当 Cp 非常小时，公式 1 中的 C%将会比较大，也就是说 MCU 更 加容易检测到这个电容值的变化。基于这种考虑，对于 FR4 材料的 PCB （1~1.5 mm 厚度）板来说我们一般选取 d=0.5mm，按键的面积A 一般选取成人手指大小 即可。   3． 电路板底层的覆铜处理 前面我们说的都是在电路板的顶层如何绘制触摸按键。下面我们来看看 电路板的底层如何覆铜。   首先，在电路板底层覆铜是很有必要的，这些接地的覆铜能够最大限度 的降低触摸按键的噪声以及外部环境对触摸按键的影响。对于底层覆铜的方 法一般有四种：完全不覆铜、25%网格覆铜、50% 网格覆铜、100%实心覆铜。   很多人一般会选择 100%实心覆铜，这种覆铜方式确实能够最大限度的降低噪声 和外界的干扰，但同时，它也大大增加 Cp 的值，而 Cp 的值我们是不希望它很 大的。所以，在这里推荐采用 50%~75% 网格覆铜。 4、触摸按键表面的覆盖物 在许多的应用中，我们需要在触摸按键上添加一些覆盖物，如：塑料等。 在这种情况下，人的手指就不能和触摸按键直接接触了。那么电容触摸是不 是就失效了呢？答案是否定的。 从第二节的图中我们可以看到，电容容量的大小与三种东西有关：触摸 按键的面积 A ，触摸按键与地平面的间距 d 以及介电常数ε。触摸按键与地 平面的间距一般来说在按键做好了以后就是固定的，所以电容容量的大小就 与触摸按键的面积 A 以及介电常数ε有关。当我们选择了某些覆盖物（如： 塑料时）其介电常数就固定。一般来说介电常数越小越不容易导电，所以我 们要尽可能的选择介电常数小的覆盖物。 第二个方面，触摸按键的面积A，虽然在PCB做好后A就固定下来了， 但是，随着覆盖物厚度的增加，手指就越难接触到触摸按键。即，手指与触 摸按键接触的有效面积就越小，也就是说，Cf就越小。这样就越难检测到触 摸按键电容值的变化。下表列举出了在通常情况下，覆盖物的厚度与容值的 关系。    5  用 MSP430 来实现电容触摸感应    有两种方式来实现电容触摸感应，下面我们将详细讲述这两种方法：   ①  基于张弛震荡器的检测        图就是使用MSP430内部的比较器来实现一个张弛震荡触摸按键的的电路。在在 输入端，比较器的正接到了一个电阻网络，比较器的负接到了电阻Rc与感应 电