基于電容感測高溫隔離觸控模塊的研制

黃 健

（西京學(xué)院，西安 710123）

1引言

人機(jī)交互在計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中非常重要，穩(wěn)定的人機(jī)交互設(shè)備可實現(xiàn)人與計算機(jī)、儀器、儀表、設(shè)備之間可靠的數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)信息的交互并完成一些指定的功能。

輸入接口的設(shè)計是人機(jī)交互設(shè)備中的一個重要部分。近年來觸摸控制技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，常用的觸控技術(shù)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(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

在某些工業(yè)生產(chǎn)中，對于高溫、易爆、含有粉塵等的工作環(huán)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(jìn)行交互。為有效解決這個問題，提出采用FDC2214新型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為觸控檢測探頭。將檢測到的數(shù)字量通過IIC總線送給MSP430微處理器，軟件設(shè)計采用自適應(yīng)算法實現(xiàn)對目標(biāo)物體的感應(yīng)。該裝置可對噪聲和干擾進(jìn)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(tǒng)設(shè)計靈活性、可靠性。該裝置用玻璃隔離后可應(yīng)用在高溫、易爆、含有粉塵等的工作環(huán)境中[4-6]。為人機(jī)接口在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用提供了解決方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計框圖

系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。觸控按鍵可在自制印制板時將其設(shè)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(shù)，該技術(shù)是一種低功耗、低成本且高分辨率的非接觸式感測技術(shù)，適用于接近檢測任意金屬或?qū)w。當(dāng)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(fā)生很大的變化，將會引起FDC2214感應(yīng)振蕩頻率的變化。FDC2214將會將其轉(zhuǎn)換為28位的數(shù)字量，經(jīng)IIC總線送給MSP430去處理。

3 系統(tǒng)設(shè)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(dāng)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(dāng)用手指按下時，如圖3所示，寄生電容發(fā)生變化，變?yōu)镃1+C2+C3||C4，C3和C4電容量很大，遠(yuǎn)大于C1和C2[7,8]。

因為電容容量發(fā)生變化，可設(shè)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(fā)生很大的變化，容量越大，充電時間越長。據(jù)此，就可以判斷是否有手指觸摸按鍵，也就可以實現(xiàn)對按鍵的檢測。

在進(jìn)行按鍵設(shè)計時，為了保證靈敏度，又要預(yù)防誤操作。單個按鍵的大小要設(shè)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(shè)計成圓形或者是方形。

3.2 隔離外殼和按鍵的設(shè)計

高溫隔離外殼設(shè)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(cè)面圖，側(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)關(guān)系見表1。從表中可以看出，當(dāng)信噪比高于6db時，按鍵檢測的失敗率已經(jīng)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(yīng)關(guān)系

4測試

信噪比與空氣間隙之間的對應(yīng)關(guān)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(jìn)行。

當(dāng)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(yīng)關(guān)系

帶手套時，信噪比與空氣間隙之間的對應(yīng)關(guān)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(yīng)關(guān)系

5 結(jié)束語

本文提出了基于電容感測高溫觸控模塊的設(shè)計方法。文中詳細(xì)闡述了電容傳感的基本工作原理。通過將感應(yīng)按鍵分布在圓盤上，當(dāng)有手指觸碰時，會產(chǎn)生寄生電容，根據(jù)電容的變化檢測按鍵。在實際應(yīng)用中，用厚玻璃將高溫工作室與外界隔離，人們不需要進(jìn)入高溫工作室，就可通過觸控按鍵控制室內(nèi)機(jī)器的運(yùn)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(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，能夠有效的檢測按鍵，有效的抑制干擾。該設(shè)計具有一定的實用價值，特別適合于高溫等危險的工作區(qū)域，能夠有效的保證工作人員的安全。

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