电容触摸传感技术简介

　　目前，电容触摸传感已越来越易于实现，且应用也越来越广泛。触摸灯是电容触摸开关的经典示例。触摸灯由一个简单的电容式开关来开启、关闭灯泡．以及调节灯的亮度。

　　电容触摸传感技术在消费电子产品应用中也深受欢迎。本文介绍基于MICroChip单片机的电容触摸传感解决方案，主要针对PIC16F616、PIC16F690及PIC16F887系列8位单片机。

　　目前，已有好几种电容触摸传感技术应用，多数技术是基于测量原理，主要是由于人手指触摸产生额外电容而改变频率或占空比。此外，还有使用电荷平衡或是充电上升及下降时间的测量。而PIC单片机中的解决方案，则是使用自激RC振荡器来测量频率。

　　改变振荡频率的触摸技术，使得可以对触摸按钮实现更为复杂的控制。其关键是要具有混合信号外设的单片机。单片机提供了完成电容触摸传感、决策、响应以及其他系统相关任务的能力。

　　1、构建良好的传感器
　　
　　触摸传感器的应用，主要包括PCB焊盘的自然电容和当手指触压焊盘时将发生的情况。常见的触摸传感器主要应用电容基础原理，其分解图见右图。下图是简单的RC电路，电容量的计算则为：

　　右图中，由于玻璃-手指-地之间产生电容，才能够检测到接触电压变化，该电容与电路对地的自然寄生电容并联。当手指接近焊盘时，总电容将变大。

　　电容增量的百分比是：C%=((cp+Cf)-Cp)/Cp=Cf/Cp。

　　电容增量是检测依据，手指将引入额外的电容，导致振荡器的RC时间常数改变。RC时间常数增加，振荡器频率减小，单片机将检测这一频率变化。

　　值得注意的是，希望Cp比较小，因为Cf非常小。如果Cp较小，则电容和频率的增量百分比将比较大。已知手指触压产生的电容范围在5pF～15pF。手指电容不是常数，并且与环境有关。

　　应用时还需要一个振荡器，其频率取决于电容器的感应极板Cs。下图的电路能够实现这一目标。该应用使用一个松弛振荡器，其振荡频率取决于电容器的容量，而阻值是设计参数，用来确保振荡频率在l00kHz～400kHz范围内。

　　频率的精确值并不重要，但是在测量过程中，较高的频率将产生更多的计数，因而精度要比较低频率的高。

　　为了检测按钮是否按下，首先必须恰当地配置系统。然后有下列几个关键步骤：

　　(I)通过传感器电容发出振荡信号。
　　
　　(2)使用TICKI对正沿进行计数。
　　
　　(3)在固定的测量周期结束时，获取读数（频率计数值）。

　　(4)判断当前频率是否低于未触压时的平均值。

　　2、振荡器工作原理

　　松弛振荡器是一个自激RC振荡器，它使用2个带SR锁存的比较器来改变感应电容器电压的充电方向，进行充电或者放电。充放电的速率由RC时间常数确定，通过比较器的正输入端来设置充电的上下限。从下限充电到上限，然后放电回到下限的时间，就是振荡器的周期。

　　振荡器电路如下图虑线左侧所示。

　　比较器的正输入端决定充电的上下限。

　　Cl+是内部信号，但C2+必须接外部信号以设置充电下限。l000pF电容用来滤除电源的高频噪声并确保有一个稳定的下限。电压V-将在上下限之间充电放电．它由C20UT的逻辑电平信号驱动。比较器2的输出C20UT配置为Q，以便获得相应的充放电过程。反馈电阻R与传感器极板（用Cs表示）一起形成RC回路。当电容器Cs上的电压V-低于下限时，C20UT为高电平，系统开始充电；V-在上下限之间，系统保持前一状态（充电或放电）；V-超过上限，则C20UT变低，系统将开始放电，然后在中间区域持续放电。输出Q(的反)及它表示的充电或放电状态，要根据每个比较器负输入端对正输入端相对值以及SR锁存值来确定。

　　3．测量频率
　　
　　振荡器构建好了，还必须监测是否有手指触压导致的频率下降。下图中C20UT不仅驱动振荡器，还连接Timerl的时钟输入端TICKI。每次当C20UT从0变到l时，Timerl都将增加一。

　　为了使Timerl计数变得有用，还需要令其在一段确定时间内测量频率。该时间周期由Timer0提供。

　　开始测量时，Timer0清零，然后计数至255，而后将溢出。溢出时，中断TOIF使程序眺转到Timer0中断服务程序，然后读取TMR1的值，与前一个读数进行比较，完成对按钮的一次扫描。如果TMR1的当前值明显变低，说明电容增加，频率下降，有按钮按下。

　　考虑到周围电路影响，可把新值进行平均，得到一个滑动平均值，作为比较的基准值。一旦确定按钮按下且设置了对应标志位后，Timerl和Timer0都将被清零，开始准备读取下一个读数。

　　注：必须设置Time10的预分频器，　使Timer0比Timerl先溢出。

　　4、检测按钮是否按下
　　
　　剩下的工作是检测并报告是否有按钮按下。在每次扫描完成后，由TOIF发出常规中断来调用中断服务程序，以完成该工作。

　　这里使用了三个无符号整型变量：

　　变量average存放前面16个采样值的滑动平均值；raw是从Timerl读取的当前传感器数据；trip是按钮按下时频率与平均值的差。最简单的算法是测试raw是否比平均值小某个固定值，其代码示例如下：

　　作为演示示例，假设在手指没有按下按钮时，振荡器读数是10，000．则aver-age和raw都将是10，000。设计假定trip取值是1000。一旦按下按钮，raw值马上下降至8500，而averge仍然是10，000，因为8500小于9000。“if语句”将为真。按钮按下。而后，由于按钮按下，可以设置标志位或者进行响应。具体示例电路见下图。

　　5．配置PIC MCU
　　
　　目前，有三个系列PIC单片机能实现上述功能，即PIC16F616、PIC16F690和PIC16F887系列。用于电容触摸传感的基本寄存器设定是一样的，尽管系列之间的差异可能导致寄存器设定值上有小小的不同。

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