本文介绍了一种利用电容分压器 (CVD) 和名为充电时间测量单元 (CTMU) 的外围微控制器技术，以最少的外部元件创建低成本电容式触摸传感器的方法。最后，本文将通过一个参考设计演示如何用电容式触摸按键替代机械开关。.
电容式触摸传感器技术
与其他触摸传感器技术相比，电容式传感器滚轮在电子设备中越来越普遍。
电容式触摸传感器的工作原理：
当手指（或其他具有电容特性的物体）足够靠近电容式触摸传感器时，该传感器会像另一个电容器一样工作。这是由于传感器的介电特性，它会改变用于检测触摸的系统的有效电容。
图 1 显示了平行板如何连接到传感器芯片的输入端，而手指则充当另一个平行板。血液中的铁会形成与体表排列的电容束。当这些电容束靠近导体时，它们会产生接地电容，从而导致电压变化，该电压变化取决于手指的接触。
一个标准的触摸检测系统由三个主要功能模块组成：
用于电容检测的模拟模块；
用于处理数据的控制器；
用于与主机处理器通信的接口模块。
基于电压变化的电容式触摸检测解决方案可以通过采用以下组件的技术有效实现：
- 集成到微控制器中的外围电荷时间测量单元 (CTMU)
- 使用模数转换器 (ADC) 的电容分压器 (CVD)，无需专用的电容传感外围设备
* 利用 CTMU 外设有效应用电容式触摸感应
CTMU 外设与 ADC 配合使用，构成一个灵活的模拟模块，用于精确测量电容值。如图 2 所示，它包含一个连接到 ADC 通道的恒流源。电容值会发生变化，CTMU 利用该恒流源计算事件之间的时间差。
由于 CTMU 的电流源具有多个可选范围，因此其响应速度将比 CVD 更快 
。模拟通道的快速充电也提高了电容式触摸系统的响应时间。
使用 CTMU 外设进行电容式触摸检测的原理总结如下：
I x T = C x V
其中，
I 为 CTMU 电源提供的恒定电流。T
为 CTMU 对电容式触摸传感器充电的固定时间。C
为电容式触摸传感器的电容值。V
为 ADC 读取的电容式触摸传感器的电压值。
如果对公式进行重新调整，则可以通过观察电压变化来检测电容的相对变化：
C = (I × T) / V
该方程式突出了触觉接触检测过程中涉及的不同步骤，如下所示：
电容式触摸传感器用作电容器，并与外围 CTMU 和 ADC 连接到多路复用通道。
触摸传感器初始由恒流源充电预设时间 (T)。ADC 测量传感器两端的电压 (V)（图 3）。
只要触摸传感器不引起电容变化，该电压在连续的充电测量迭代中保持相对恒定。
图例：
1. CTMU 电流源未激活；
2. 进行模数转换 (ADC)；
电容式传感电路已放电；
4. CTMU 电流源已激活。
结合多通道ADC，外置CTMU中的恒流源为电容式触摸传感器提供了一个有效的接口平台。外置CTMU直接连接到ADC的输入端，并通过模拟多路复用器连接到任意引脚。在这种配置下，单个外置CTMU可以测量与ADC通道数相同的传感器数量。恒流源的
调节位便于校准，以抵消外部干扰和传输损耗。
**电容式触摸感应的CVD技术**
电容式分压器（CVD）方法通过比较采样保持（S/H）电路中固定的已知电容值与可变的未知电容值，仅使用ADC即可进行基于电压的测量。CVD的
制造方式与典型传感器相同：在印刷电路板或类似的导电基板上制作用于感应的铜表面，并直接连接到ADC通道。其余过程则通过精确配置ADC和I/O来完成。CVD
的基本原理如下：
ADC 的一个通道将 ADC 采样保持电路的内部电容充电至 VDD。
然后将传感器通道接地，使其处于已知状态（图 4）。
接地后，传感器必须再次成为输入。
一旦成为输入，ADC 通道立即连接到传感器。
由于传感器电容与采样保持电容 CHOLD 并联，因此形成了一个分压电路。这样一来，传感器电容两端的电压就与采样保持电容两端的电压相同。ADC 需要进行采样，其读数代表两个电容之间的比值。当手指触摸传感器时，传感器的电容增大；传感器两端的电压会降低，ADC 读数也会增大。.
电容式触摸检测不需要绝对电容读数，因为所有解码决策都与参考值相关。.
固件开发消除外部干扰：
电容的动态波动是由湿度、温度、接触压力、传感器上的污染物以及电磁干扰/电磁兼容性干扰等因素引起的，这些因素会影响系统触摸传感器的功能。为了抵消这些因素并增强系统性能，可以使用固件来实现动态平均检测、防抖动功能和动态触发电平变化。
为了抑制传感器中的残余噪声，必须集成滤波软件；这使得固件能够区分传感器的激活状态和非激活状态。该算法可以设计为检测多个触摸触点，并区分预期触点和非预期触点。然后，可以校准软件，使其即使在电容式触摸层上覆盖着厚涂层的情况下也能检测到触摸触点。
电容式触摸传感应用的参考设计
图 5 将帮助用户立即开始实现电容式触摸传感系统。这种方法为将其他外设（例如 USB 和 LCD）集成到设计中提供了极大的灵活性。这也有助于缩短交付功能齐全的触摸传感系统所需的时间。参考设计中使用的微控制器具有 13 个 ADC 通道，可连接多达 13 个传感器。四个电容式触摸传感器已连接到 A0 至 A3 端口。CTMU 模块具有一个可编程电流源，用于为电容式触摸传感器充电。USB 插座也用作总线供电电源，利用片上 USB 接口。当触摸传感器时，固件还可以通过 D 端口的引脚在 LCD 模块上显示相应的触摸传感器状态信息。此外，还提供了一个 6 针公头连接器，用于将参考面板连接到硬件编程器。
影响高效电容式触摸传感器设计的因素*
实时应用给电容式触摸传感器带来了诸多挑战。如下文所述，优化设计有助于降低寄生电容并提高手指电容，最终确保更优的传感器设计：
传感器基板尺寸。 对于电容式传感器而言，传感器基板的形状并不重要，但基板面积决定了其灵敏度，因此值得考虑。基板越大，灵敏度越高；其面积应与指尖的平均大小（15 x 15 毫米）相近。然而，如果传感器基板尺寸大于最佳值，则由于其靠近地，寄生电容可能会增加。
传感器间距。 当触摸传感器时，手指会在被激活的传感器以及相邻的传感器中引入额外的电容。因此，为了隔离手指的电容，相邻传感器之间必须保持一定的间距。理想的间距是电容式触摸传感系统涂层材料厚度的 2 到 3 倍。例如，如果涂层厚度为 3 毫米，则为了实现有效的电容式触摸传感设计，传感器之间的距离应为 6 到 9 毫米。
印刷电路板走线长度： 传感器和微控制器之间的走线过长会增加寄生电容的影响，从而改变走线电阻并影响灵敏度。走线长度不应超过 12 英寸（300 毫米）。
涂层成分和厚度：手指传递到电容式触摸传感器的电容取决于所用涂层材料的类型及其厚度。涂层材料应具有高介电常数以提高灵敏度，并尽可能薄。如果涂层厚度增加，传感器之间的串扰也会增加。
接地技术： 传感器对地寄生电容会影响检测方法；可以通过将接地端放置在非常靠近传感器的位置来抵消这种影响。这会增加寄生电容，并降低其对传感器的影响。
粘合剂选择： 粘合剂将涂层材料粘合到印刷电路板上，应涂覆薄层以获得高灵敏度。粘合剂应无气泡，并且在涂覆前应仔细阅读所有涂覆说明。
摘要：
随着触摸传感器技术成本的不断降低，它已成为工业和消费产品的理想选择。与传统机械开关相比，电容式触摸传感器的主要优势在于其使用寿命长且不易损耗。利用集成片上微控制器或采用CVD技术的CTMU外设，设计人员可以低成本、少元件地开发出电容式触摸传感器接口。
如需更多信息，请访问 http://www.microchip.com/mtouch。
参考文献
：1. PIC24F 系列参考手册，第 11 节 电荷时间测量单元 (CTMU)，DS39724B，© 2010 Microchip Technology Inc.
2. Microchip 应用笔记：
AN1101， 《电容式传感简介》， 作者：Tom Perme，© 2007 2010 Microchip Technology Inc.；
《稳健触摸传感 设计 技术》，作者：Burke Davison，© AN1250
，《Microchip CTMU 在 电容式触摸 应用中的应用》，作者：Bruce Bohn，© 2009 Microchip Technology Inc.；
AN1298， 《 仅使用 ADC的电容式触摸 [CVD]》，作者：Tom Perme，© 2009 Microchip Technology Inc.an ADC [CVD] (Detección táctil capaci
作者：
作者：Nithin Kumar Mada - 高级应用工程师；
Harsha Jagadish - 应用工程师；
Microchip Technology Inc. 高级微控制器架构部门
