ZHCABH6A January 2022 – October 2022 MSP430FR2533
以简单的单按钮为例,图 2-1 显示了自感电容,图 2-2 显示了检测模型。自感电容采用通过镀铜形成的单电极(接收电极 Rx)来检测电极对电力线接地的电容变化。按钮到电力线接地的初始电容为 Cp。用手触摸它时,电路中会产生 Ct、Ch 和 Cg,从而增加按钮对接地的电容。
在图 2-2 中,实线表示 PCB 布线,虚线表示与触控相关的布线。灰色元件表示等效电容或电阻。
Rh = 人体电阻。
Rs = 串联电阻。建议值为 470Ω。
Cp = 按钮和连接线到电力线接地的寄生电容。
Cg = 电力线接地和大地之间的电容。对于电池应用,它约为 1pF。对于接地应用,它是一个短路。
Ch = 人体与大地之间的串联电容。
Ct = 电平与人指尖形成的电容,其结构类似于平行板电容。
为了便于分析,我们将 Rh 和 Rs 的影响忽略不计。Equation1 显示了按钮到电力线接地的等效电容。灵敏度可以表征为触摸引起的电容变化与基础电容的比值,如Equation2 所示。其中,Ch 大于 Cg 和 Ct,因此可以忽略不计。
平行板电容通过以下公式计算:
其中:
电极尺寸不能无限增大。主要原因是,平行板电容 Ct 的最大有效面积与手指触摸面积相同。因此,Ct 也会增大,导致灵敏度降低。
TI 的 CapTIvate 电容式触控感应技术是基于电荷转移收集过程实现的。具体操作包括:1) 对传感器输入电容器 Cequal 充电;2) 将累积的电荷转移到内部采样电容器 Csample。
重复该过程,直到 Csample 两侧的电压达到内部比较器的触发电压 Vtrip。达到阈值所需的电荷转移次数直接表征了 Cequal 的大小。如果用手触摸电容式传感器,Cequal 和电荷转移值就会发生变化。MCU 通过比较不同的电荷转移周期数来感知触摸事件的发生。MSP430 MCU 采用电流镜控制 Csample 的输入电流与 Cequal 的放电电流之间的比例关系,以便对 Csample 进行等效放大并得到一个更大的范围。对于自电容检测,Cequal 等于接地和 RX I/O 端口之间的电容。通过对接地的充电和放电,Cequal 中的电荷将转移至内部 Csample。
上述内容是关于用手触摸按钮时,按钮电容值所发生的变化。同样,如果将按钮换成金属导体棒,将人体换成液态物质(如水),当水接触金属导体棒时,会让整个金属棒对接地的电容发生变化。金属棒对接地的电容值也会随着水位的变化而变化。通过电容值的变化,我们可以判断被检测物体中是否有水,以及水位的深度。图 2-3 显示了检测模型。