觸摸屏應用技術基礎

摘要:觸摸屏技術被認為是未來人機交互技術的主流方向之一，相關的產業及其產品的應用也正在成為一個技術熱點。本文闡述了觸摸屏技術的基本原理，分類，性能及發展趨勢。

關鍵詞:觸摸屏 觸摸屏技術 人機交互 原理 觸摸屏分類 發展趨勢

一、引言

由于科學技術的飛速發展， 越來越多的機器與現場操作都趨向于使用人機界面， PLC 控制器強大的功能及復雜的數據處理也呼喚一種功能與之匹配而操作又簡便的人機交互界面的出現。觸摸屏的應運而生無疑是21 世紀自動化領域里的一個巨大的革新。觸摸屏以其堅固耐用、反應速度快、節省空間、易于交流等許多優點得到大眾的認可。，

另外， 使用人機界面還可以使機器的配線標準化、簡單化， 同時也能減少PLC 控制器所需的I/O點數， 降低生產的成本同時由于面板控制的小型化及高性能， 相對地提高了整套設備的附加價值。

二、觸摸屏技術

觸摸屏技術在我國的應用雖然只有十多年的時間，但是它已經成了繼鍵盤、鼠標、手寫板、語音輸入后最為普通百姓所易接受的計算機輸入方式。利用這種技術，使界面能夠訪問計算機的數據庫，用戶只要用手指輕輕地觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現對主機操作或查詢，同時大大地提高了計算機的可靠性，從而使人機交互更為直截了當。這種技術極大方便了用戶，成為極富吸引力的全新多媒體交互設備。

(一)觸摸屏的基本工作原理

觸摸屏是一種透明的絕對定位系統，首先它必須是透明的，透明問題是通過材料科技來解決的。其次是它能給出手指觸摸處的絕對坐標，而鼠標屬于相對定位系統。絕對坐標系統的特點是每一次定位的坐標與上一次定位的坐標沒關系，觸摸屏在物理上是一套獨立的坐標定位系統，每次觸摸的位置轉換為屏幕上的坐標。

觸摸屏的基本原理如下:觸摸屏的本質是傳感器，用戶用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器上的觸摸屏時，被觸摸位置的坐標被觸摸屏控制器檢測，并通過通信接口(例如RS-232C或RS-485串行口)將觸摸信息傳送到PLC，從而得到輸入的信息。

觸摸屏系統一般包括兩個部分:觸摸檢測裝置和觸摸屏控制器。觸摸檢測裝置安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，再將該處的信息傳送給觸摸屏控制器;觸摸屏控制器的主要作用是接收來自觸摸點檢測裝置的觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，判斷出觸摸的意義后送給PLC，它同時能接收PLC發來的命令并加以執行，例如動態地顯示開關量和模擬量。

(二)觸摸技術的優勢

觸摸屏， 是用戶和計算機之間實現互動的最簡單、最直接的方式。現在， 各行各業都已成功地將觸摸屏的效用發揮到各自的應用領域中。觸摸屏技術的優異特性有如下的表現:

1.簡化了人機界面， 使用戶無需經過任何培訓就能使用計算機;

2.提高了精確度， 消除了操作員誤操作的可能性， 因為供用戶選擇的菜單設置非常明確;

3.觸摸屏取代了鍵盤和鼠標;

4. 結實耐用， 可以承受鍵盤和鼠標易受損壞的惡劣環境;

5.通過觸摸屏可以快速訪問所有類型的數字媒體， 不會受到文本界面的妨礙;

6.底座更小， 保證空間不被浪費， 因為輸入設備已完全整合到顯示器中。

三、觸摸屏的分類

根據觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質，把觸摸屏分為四種，它們分別為電阻式、表面聲波式、紅外線式以及電容式。每一種觸摸屏都有其各自的優缺點， 要了解觸摸屏的適用場合， 則了解每一種觸摸屏的工作原理和特點尤為重要。

(一)電阻式觸摸屏

1.電阻式觸摸屏工作原理

電阻觸摸屏的屏體部分是一塊多層復合薄膜， 由一層玻璃或有機玻璃作為基層， 表面涂有一層透明的導電層( ITO膜) ， 上面再蓋有一層外表面經過硬化處理、光滑防刮的塑料層。它的內表面也涂有一層ITO， 在兩層導電層之間有許多細小( 小于千分之一英寸) 的透明隔離點把它們隔開。當手指接觸屏幕時， 兩層ITO發生接觸， 電阻發生變化， 控制器根據檢測到的電阻變化來計算接觸點的坐標， 再依照這個坐標來進行相應的操作。電阻屏根據引出線數多少，分四線、五線等類型。五線電阻觸摸屏的外表面是導電玻璃而不是導電涂覆層，這種導電玻璃的壽命較長，透光率也較高。

2.電阻式觸摸屏的缺陷

電阻式觸摸屏是一種對外界完全隔離的工作環境， 不怕灰塵和水汽， 它可以用任何物體來觸摸， 可以用來寫字畫畫， 比較適合工業控制領域及辦公室內有限地使用。電阻觸摸屏共同的缺點是因為復合薄膜的外層采用塑膠材料， 不知道的人太用力或使用銳器觸摸可能劃傷整個觸摸屏而導致報廢。并且由于經常被觸動，表層ITO使用一段時間后會出現細小的裂紋，甚至變形，因此其壽命并不長久。

(二)表面聲波觸摸屏

1.表面聲波觸摸屏工作原理

表面聲波是超聲波的一種，它是在介質(例如玻璃)表面進行淺層傳播的機械能量波。表面聲波性能穩定、易于分析，并且在橫波傳遞過程中具有非常尖銳的頻率特性。表面聲波觸摸屏的觸摸屏部分可以是一塊平面、球面或柱面的玻璃平板， 安裝在CRT、LED、LCD或是等離子顯示器屏幕的前面。這塊玻璃平板只是一塊純粹的強化玻璃，沒有任何貼膜和覆蓋層。玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發射換能器， 右上角則固定了兩個相應的超聲波接收換能器，玻璃屏的四邊刻有由疏到密間隔非常精密的45度角反射條紋。在沒有觸摸的時候，接收信號的波形與參照波形完全一樣。當手指觸摸屏幕時，手指吸收了一部分聲波能量，控制器偵測到接收信號在某一時刻的衰減，由此可以計算出觸摸點的位置。除了一般觸摸屏都能響應的x、y坐標外，表面聲波觸摸屏的突出特點是它能感知第三軸(z軸)坐標， 也就是能感知用戶觸摸壓力的大小值，其原理是由接收信號衰減處的衰減量計算得到。三軸一旦確定，控制器就把它們傳給主機。

2.表面聲波觸摸屏的特點

表面聲波觸摸屏非常穩定，不受溫度、濕度等環境因素影響，壽命長( 維護良好情況下達5000萬次) ;透光率和清晰度高，沒有色彩失真和漂移， 安裝后無需再進行校準，有極好的防刮性，能承受各種粗暴的觸摸，最適合公共場所使用。

(三)紅外線式觸摸屏

1.紅外線觸摸屏工作原理

紅外觸摸屏的四邊排布了紅外發射管和紅外接收管， 它們一一對應形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時， 手指會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線， 控制器通過計算即可判斷出觸摸點的位置。任何觸摸物體都可改變觸點上的紅外線而實現觸摸屏操作。

2.紅外線觸摸屏的特點

紅外觸摸屏不受電流、電壓和靜電干擾， 適宜于某些惡劣的環境條件。其主要優點是價格低廉、安裝方便，可以用在各檔次的計算機上。此外，由于沒有電容充放電過程，響應速度比電容式快，但分辨率較低。

(四)電容式觸摸屏

1.電容式觸摸屏工作原理

電容式觸摸屏利用人體的電流感應進行工作。電容式觸摸屏是一塊4層復合玻璃屏， 用真空金屬鍍膜技術在玻璃屏的內表面和夾層各鍍有一層ITO， 玻璃四周再鍍上銀質電極，最外層是只有0.0015毫米厚的玻璃保護層， 夾層IT0 涂層作為工作面， 4個角引出4個電極， 內層ITO為屏蔽層，以保證良好的工作環境。在玻璃的四周加上電壓，經過均勻分布的電極的傳播，使玻璃表面形成一個均勻電場，當用戶觸摸電容屏時，由于人是一個大的帶電體，手指和工作面形成一個耦合電容， 因為工作面上接有高頻信號，手指吸收走很小的一部分電流。電流分別從觸摸屏4個角上的電極流出， 流經這4個電極的電流與手指到4個角的距離成正比， 控制器通過對這4個電流比例的精密計算， 得出觸摸點的位置。

2.電容式觸摸屏的缺陷

電容式觸摸屏反光嚴重， 而且， 電容技術的四層復合觸摸屏對各波長光的透光率不均勻， 存在色彩失真的問題， 由于光線在各層間的反射， 還會造成圖像字符的模糊。電容式觸摸屏在有導體靠近， 會引起電容式觸摸屏的誤動作。電容式觸摸屏的另一個缺點是用戴手套的手或手持不導電的物體觸摸時沒有反應。

電容屏更主要的缺點是漂移: 當環境溫度、濕度改變， 環境電場發生改變時， 會引起電容式觸摸屏的漂移， 造成不準確。

四、觸摸屏技術的發展趨勢

觸摸屏技術方便了人們對計算機的操作使用，是一種極有發展前途的交互式輸入技術。世界各國對此普遍給予重視，并投入大量的人力、物力進行研發，新型觸摸屏不斷涌現。

觸摸筆:利用觸摸筆進行操作的觸摸屏類似白板，除顯示界面、窗口、圖標外，還具有利用觸摸筆簽名、標記的功能，系統已做到了自動辨認。這種觸摸筆比早期只提供選擇菜單用的光筆功能大大增強。

觸摸板:觸摸板采用了壓感電容式觸摸技術，屏幕面積最大3米×4米，是一種壁掛式系統。觸摸板由三部分組成:最底層是中心傳感器，用于監視觸摸板是否被觸摸，然后對信息進行處理，中間層提供了交互用的圖形、文字等，最外層是觸摸表層，由強度很高的塑料材料構成。當手指點觸外層表面時，在千分之一秒內就可以將此信息送到傳感器并進行登錄處理。觸摸板與PC機兼容，它還具有亮度高、圖像清晰、易于交互等特點，因而被應用于指點式信息查詢系統(如電子公告板)，收到了非常好的效果。

總之，觸摸屏的發展趨勢具有專業化、多媒體化、立體化和大屏幕化等特點。隨著信息社會的發展，人們需要獲得各種各樣公共信息。以觸摸屏技術為交互窗口的公共信息傳輸系統通過采用先進的計算機技術，運用文字、圖像、音樂、解說、動畫、錄像等多種形式，直觀、形象地把各種信息介紹給人們，給人們帶來極大的方便。我們相信，隨著觸摸屏技術的迅速發展，觸摸屏的應用領域會越來越廣，性能會越來越好。

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