本文介紹了一些基本的電容檢測(cè)電路配置，并討論了如何處理低頻和高頻噪聲。讓我們看一下這個(gè)簡(jiǎn)短的視頻，并首先回顧一些關(guān)于電容式傳感器的基本知識(shí)。

一、衡量變化

電容式觸摸傳感的本質(zhì)是物體接近電容器時(shí)發(fā)生的電容變化。手指的存在使電容增加

1）引入介電常數(shù)相對(duì)較高的物質(zhì)（即人肉）

2） 提供一個(gè)導(dǎo)電表面，與現(xiàn)有電容器并聯(lián)產(chǎn)生額外的電容。

右！電容變化這一事實(shí)并不是特別有用。為了實(shí)際執(zhí)行電容式觸摸傳感，我們需要一個(gè)能夠以足夠精度測(cè)量電容的電路，以一致地識(shí)別手指的存在引起的電容增加。有多種方法可以做到這一點(diǎn)，有些非常簡(jiǎn)單，有些則更復(fù)雜。在本文中，我們將介紹實(shí)現(xiàn)電容檢測(cè)功能的兩種通用方法;第一個(gè)基于RC（電阻電容）時(shí)間常數(shù)，第二個(gè)基于頻移。

二、RC時(shí)間常數(shù)

當(dāng)?shù)谝淮我庾R(shí)到高等數(shù)學(xué)實(shí)際上與代表充電或放電電容器兩端電壓的指數(shù)曲線有某種關(guān)系時(shí)，我體驗(yàn)到一種模糊的大學(xué)懷舊感。也許這是我第一次意識(shí)到高等數(shù)學(xué)實(shí)際上與現(xiàn)實(shí)有某種關(guān)系，或者在這個(gè)葡萄收獲機(jī)器人的時(shí)代，放電電容器的簡(jiǎn)單性很有吸引力。無(wú)論如何，我們知道當(dāng)電阻或電容發(fā)生變化時(shí)，這種指數(shù)曲線會(huì)發(fā)生變化。假設(shè)我們有一個(gè)RC電路，由一個(gè)1

MΩ電阻和一個(gè)電容式觸摸傳感器組成，典型的無(wú)指電容為10 pF。

我們可以使用通用輸入/輸出引腳（配置為輸出）將傳感器電容充電至邏輯高壓。接下來(lái)，我們需要電容器通過(guò)大電阻放電。重要的是要了解，您不能簡(jiǎn)單地將輸出狀態(tài)切換到邏輯低電平。配置為輸出的I/O引腳將驅(qū)動(dòng)邏輯低電平信號(hào)，即，它將為輸出提供與接地節(jié)點(diǎn)的低阻抗連接。因此，電容將通過(guò)這種低阻抗快速放電，如此之快，以至于微控制器無(wú)法檢測(cè)到電容微小變化產(chǎn)生的細(xì)微時(shí)序變化。我們需要的是一個(gè)高阻抗引腳，它將迫使幾乎所有電流通過(guò)電阻放電，這可以通過(guò)將引腳配置為輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，首先將引腳設(shè)置為邏輯高電平輸出，然后通過(guò)將引腳更改為輸入來(lái)啟動(dòng)放電階段。產(chǎn)生的電壓將如下所示：

如果有人觸摸傳感器，從而產(chǎn)生額外的3 pF電容，則時(shí)間常數(shù)將增加，如下所示：

按照人類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，放電時(shí)間沒(méi)有太大區(qū)別，但現(xiàn)代微控制器肯定可以檢測(cè)到這種變化。假設(shè)我們有一個(gè)時(shí)鐘頻率為 25 MHz

的計(jì)時(shí)器;當(dāng)我們將引腳切換到輸入模式時(shí)，我們啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。我們可以使用這個(gè)定時(shí)器來(lái)跟蹤放電時(shí)間，方法是將同一引腳配置為啟動(dòng)捕獲事件的觸發(fā)器（“捕獲”意味著將定時(shí)器值存儲(chǔ)在單獨(dú)的寄存器中）。當(dāng)放電電壓超過(guò)引腳的邏輯低閾值（例如0.6

V）時(shí)，將發(fā)生捕獲事件。如下圖所示，閾值為0.6 V時(shí)的放電時(shí)間差為ΔT = 5.2 μs。

定時(shí)器時(shí)鐘源周期為 1/（25 MHz） = 40 ns，此 ΔT 對(duì)應(yīng)于 130

個(gè)時(shí)鐘周期。即使電容的變化減少了10倍，未接觸的傳感器和觸摸的傳感器之間仍然會(huì)有13個(gè)刻度的差異。

所以這里的想法是在監(jiān)控放電時(shí)間的同時(shí)對(duì)電容器反復(fù)充電和放電;如果放電時(shí)間超過(guò)預(yù)定閾值，微控制器假定手指與觸敏電容器“接觸”（我把“接觸”放在引號(hào)中，因?yàn)槭种笍奈凑嬲佑|過(guò)電容器——如上一篇文章所述，電容器通過(guò)阻焊層和器件外殼與外部環(huán)境隔開(kāi)）。然而，現(xiàn)實(shí)生活比這里提出的理想化討論要復(fù)雜一些;錯(cuò)誤來(lái)源將在下面的“處理現(xiàn)實(shí)”部分中討論。

三、變頻電容

在基于頻移的實(shí)現(xiàn)中，電容式傳感器用作RC振蕩器的“C”部分，因此電容的變化會(huì)導(dǎo)致頻率的變化。輸出信號(hào)用作計(jì)數(shù)器模塊的輸入，該計(jì)數(shù)器模塊計(jì)算特定測(cè)量周期內(nèi)出現(xiàn)的上升沿或下降沿的數(shù)量。當(dāng)接近的手指導(dǎo)致傳感器電容增加時(shí)，振蕩器輸出信號(hào)的頻率會(huì)降低，因此邊沿?cái)?shù)也會(huì)減少。

所謂的松弛振蕩器是可用于此目的的通用電路。除了觸敏電容外，它還需要幾個(gè)電阻和一個(gè)比較器;這似乎比上面討論的充電/放電技術(shù)要麻煩得多，但是如果您的微控制器具有集成的比較器模塊，則還不錯(cuò)。

我不打算詳細(xì)介紹這個(gè)振蕩器電路，因?yàn)?）它在其他地方討論，包括這里和這里，2）當(dāng)有許多微控制器和分立IC提供高性能電容觸摸感應(yīng)功能時(shí)，你似乎不太可能想要使用振蕩器方法。如果您別無(wú)選擇，只能創(chuàng)建自己的電容式觸摸感應(yīng)電路，我認(rèn)為上面討論的充電/放電技術(shù)更簡(jiǎn)單。否則，通過(guò)選擇具有專(zhuān)用電容感應(yīng)硬件的微控制器，使您的生活更簡(jiǎn)單一些。

Silicon Labs 的 EFM32 微控制器中的電容檢測(cè)外設(shè)是基于松弛振蕩器方法的集成模塊的示例：

多路復(fù)用器允許振蕩頻率由八個(gè)不同的觸敏電容器控制。通過(guò)快速循環(huán)通道，芯片可以有效地同時(shí)監(jiān)控八個(gè)觸摸感應(yīng)按鈕，因?yàn)槲⒖刂破鞯墓ぷ黝l率相對(duì)于手指移動(dòng)的速度非常高。

四、現(xiàn)實(shí)

我們必須注意到，電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)將受到高頻和低頻噪聲的困擾。

高頻噪聲會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的放電時(shí)間或邊沿計(jì)數(shù)的樣本間差異很小。例如，上面討論的無(wú)指充電/放電電路的放電時(shí)間可能為 675 個(gè)時(shí)鐘周期，然后是 685

個(gè)時(shí)鐘周期，然后是 665 個(gè)時(shí)鐘周期，然后是 670 個(gè)時(shí)鐘周期，依此類(lèi)推。這種噪聲的重要性取決于預(yù)期的手指引起的放電時(shí)間變化。如果電容增加 30%，則 ΔT

將為 130 個(gè)刻度。如果我們的高頻變化只有大約 ±10 個(gè)刻度，我們可以很容易地區(qū)分信號(hào)和噪聲。

然而，電容增加30%可能接近我們合理預(yù)期的最大變化量。如果我們只有 3% 的機(jī)會(huì)，則 ΔT 為 13

個(gè)即時(shí)報(bào)價(jià)，這太接近本底噪聲了。降低噪聲影響的一種方法是增加信號(hào)的幅度，您可以通過(guò)減少PCB電容器和手指之間的物理間隔來(lái)做到這一點(diǎn)。但是，機(jī)械設(shè)計(jì)通常受到其他因素的限制，因此您必須充分利用您獲得的任何信號(hào)幅度。在這種情況下，您需要降低本底噪聲，這可以通過(guò)平均來(lái)實(shí)現(xiàn)。

例如，每個(gè)新的放電時(shí)間可以不與以前的放電時(shí)間進(jìn)行比較，而是與過(guò)去 4 次、8 次或 32

次放電時(shí)間的平均值進(jìn)行比較。上面討論的頻移技術(shù)自動(dòng)包含平均，因?yàn)槠骄l率周?chē)奈⑿∽兓粫?huì)顯著影響相對(duì)于振蕩周期較長(zhǎng)的測(cè)量周期內(nèi)計(jì)數(shù)的周期數(shù)。

低頻噪聲是指無(wú)指?jìng)鞲衅麟娙莸拈L(zhǎng)期變化;這些可能是由環(huán)境條件引起的。這種噪聲無(wú)法平均，因?yàn)檫@種變化可能會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。因此，有效處理低頻噪聲的唯一方法是適應(yīng)性強(qiáng)：用于識(shí)別手指存在的閾值不能是固定值。相反，應(yīng)根據(jù)不表現(xiàn)出顯著短期變化的測(cè)量值（例如由手指接近引起的測(cè)量值）定期進(jìn)行調(diào)整。

總而言之，我們注意到電容式觸摸傳感不需要復(fù)雜的硬件或高度復(fù)雜的固件。盡管如此，它是一種多功能、強(qiáng)大的技術(shù)，與機(jī)械替代品相比，可以提供重大的性能改進(jìn)。