基于電容感測高溫隔離觸控模塊的研制

黃 健

（西京學院，西安 710123）

1引言

人機交互在計算機系統設計中非常重要，穩定的人機交互設備可實現人與計算機、儀器、儀表、設備之間可靠的數據傳送，實現信息的交互并完成一些指定的功能。

輸入接口的設計是人機交互設備中的一個重要部分。近年來觸摸控制技術得到了迅猛的發展，常用的觸控技術有電阻式、電容式、電感式等。電容式因其制作簡單、可靠性高、壽命長等優點而得到廣泛應用[1-3]。

在某些工業生產中，對于高溫、易爆、含有粉塵等的工作環境中，操作人員需要與封裝在擰緊式金屬外殼中的防爆顯示屏/控制器進行交互。為有效解決這個問題，提出采用FDC2214新型電容數字轉換器作為觸控檢測探頭。將檢測到的數字量通過IIC總線送給MSP430微處理器，軟件設計采用自適應算法實現對目標物體的感應。該裝置可對噪聲和干擾進行高度抑制，同時在高速條件下提供高分辨率。支持寬激勵頻率范圍，提高系統設計靈活性、可靠性。該裝置用玻璃隔離后可應用在高溫、易爆、含有粉塵等的工作環境中[4-6]。為人機接口在惡劣環境中的應用提供了解決方案。

2 系統設計框圖

系統設計框圖如圖1所示。觸控按鍵可在自制印制板時將其設計為圓形或者方形，然后在上面覆銅，以方便FDC2214檢測。FDC2214是基于電容式感測技術，該技術是一種低功耗、低成本且高分辨率的非接觸式感測技術，適用于接近檢測任意金屬或導體。當有手指靠近觸控按鍵時，按鍵上的金屬物相對于大地的電容量將會發生很大的變化，將會引起FDC2214感應振蕩頻率的變化。FDC2214將會將其轉換為28位的數字量，經IIC總線送給MSP430去處理。

3 系統設計原理

3.1 電容感測原理

電容式觸摸按鍵原理圖如圖2和圖3所示。當沒有手指按下時，如圖2所示金屬薄板對地的電容量是C1+C2，是寄生電容；當用手指按下時，如圖3所示，寄生電容發生變化，變為C1+C2+C3||C4，C3和C4電容量很大，遠大于C1和C2[7,8]。

因為電容容量發生變化，可設定一個按鍵檢測電壓，比如是3V。那么電容的充放電時間將會發生很大的變化，容量越大，充電時間越長。據此，就可以判斷是否有手指觸摸按鍵，也就可以實現對按鍵的檢測。

在進行按鍵設計時，為了保證靈敏度，又要預防誤操作。單個按鍵的大小要設置的足夠大，兩個按鍵之間要保持一定的間距。一般將按鍵設計成圓形或者是方形。

3.2 隔離外殼和按鍵的設計

高溫隔離外殼設計如圖4和圖5所示。

圖4所示為高溫隔離面板的正面圖，圖中尺寸的單位是mm。面板的長和寬分別是100mm和90mm。安裝孔的直徑是5mm，2個安裝孔之間的間距是82mm。

圖5所示為高溫隔離面板的側面圖，側面用一個螺釘固定，直徑是5mm。

按鍵在高溫隔離面板上的分布圖如圖6所示，圖6中的單位是mm。圖中共有4個按鍵，按鍵1和按鍵4的垂直間距是13.2mm，按鍵2和按鍵3的水平間距是23.3mm。面板上安裝有10mm厚的玻璃。邊沿是接地金屬外殼。

從圖中可以看出，有手指按壓時，得到的信噪比曲線非常好，是標準的正弦曲線，有效的抑制了噪聲[9，10]。

信噪比與按鍵檢測失敗之間的對應關系見表1。從表中可以看出，當信噪比高于6db時，按鍵檢測的失敗率已經很低，也就是按鍵檢測的成功率很高了。

表1 信噪比與按鍵檢測失敗率之間對應關系

4測試

信噪比與空氣間隙之間的對應關系見表2，從表中可以看出，空氣間隙越小，信噪比越高。也就是按鍵檢測的成功率越高。

測試面板如圖7所示，測試時，可采用手指觸摸，帶手套觸摸方式進行。

當用手指觸摸按鍵時，圖8所示信噪比曲線圖。

表2 信噪比與空氣間隙之間對應關系

帶手套時，信噪比與空氣間隙之間的對應關系見表3。從表中可以看出，間隙越小，信噪比越高。將表3與表2相對比，可以看出，在相同條件下，表3的信噪比要低于表2的信噪比。這是因為戴手套時，寄生電容的容量變小所造成的。

表3 戴手套時信噪比與空氣間隙之間對應關系

5 結束語

本文提出了基于電容感測高溫觸控模塊的設計方法。文中詳細闡述了電容傳感的基本工作原理。通過將感應按鍵分布在圓盤上，當有手指觸碰時，會產生寄生電容，根據電容的變化檢測按鍵。在實際應用中，用厚玻璃將高溫工作室與外界隔離，人們不需要進入高溫工作室，就可通過觸控按鍵控制室內機器的運行。測試時，搭建了實驗平臺，通過手指直接觸摸按鍵和戴手套觸摸按鍵對平臺進行了測試。測試結果表明，能夠有效的檢測按鍵，有效的抑制干擾。該設計具有一定的實用價值，特別適合于高溫等危險的工作區域，能夠有效的保證工作人員的安全。

［1］ 鄧芳明，何怡剛等.低功耗全數字電容式傳感器接口電路設計[J].儀器儀表學報，2014，35（5）：994～998.

［2］ 郜洪亮，李瓊林等.電容式電壓互感器的諧波傳遞特性研究[J].電網技術，2013，37（11）：3125～3130.

［3］ 于鵬，井天軍，楊仁剛.超級電容動態容值測量與容值函數參數估計[J].電網技術，2016，32（3）：170～174.

［4］ 齊荔荔，萬秋華.圖像式光電編碼器的測角技術及其硬件實現[J].光學學報，2013，33（4）：0412001-1-0412001-10.

［5］ 王顯軍.基于SOC單片機的高集成度光電編碼器電路設計[J].光學精密工程，2011：19（5）：1082～1087.

［6］ 孫樹紅，梁立輝，萬秋華.基于DSP的光電編碼器自動檢測系統[J].紅外與激光工程，2013，42（9）：2536～2539.

［7］ 陳曉榮，陳淑芬，楊甫勤.增量式編碼器的相位編碼細分研究[J].儀器儀表學報，2007，28（1）：132～135.

［8］ 于海，萬秋華等.小型絕對式光電軸角編碼器動態誤差分析[J].中國激光，2013，40（8）：0808004-1-0808004-7.

［9］ 馮英翹，萬秋華.小型光電編碼器細分誤差校正方法[J].儀器儀表學報，2013，34（6）：1374～1379.

［10］郁有文，常健.絕對碼編碼器中一種新型的編碼方法[J].儀器儀表學報，2004，25（4）：541～544.