基于电容感测高温隔离触控模块的研制

黄 健

（西京学院，西安 710123）

1引言

人机交互在计算机系统设计中非常重要，稳定的人机交互设备可实现人与计算机、仪器、仪表、设备之间可靠的数据传送，实现信息的交互并完成一些指定的功能。

输入接口的设计是人机交互设备中的一个重要部分。近年来触摸控制技术得到了迅猛的发展，常用的触控技术有电阻式、电容式、电感式等。电容式因其制作简单、可靠性高、寿命长等优点而得到广泛应用[1-3]。

在某些工业生产中，对于高温、易爆、含有粉尘等的工作环境中，操作人员需要与封装在拧紧式金属外壳中的防爆显示屏/控制器进行交互。为有效解决这个问题，提出采用FDC2214新型电容数字转换器作为触控检测探头。将检测到的数字量通过IIC总线送给MSP430微处理器，软件设计采用自适应算法实现对目标物体的感应。该装置可对噪声和干扰进行高度抑制，同时在高速条件下提供高分辨率。支持宽激励频率范围，提高系统设计灵活性、可靠性。该装置用玻璃隔离后可应用在高温、易爆、含有粉尘等的工作环境中[4-6]。为人机接口在恶劣环境中的应用提供了解决方案。

2 系统设计框图

系统设计框图如图1所示。触控按键可在自制印制板时将其设计为圆形或者方形，然后在上面覆铜，以方便FDC2214检测。FDC2214是基于电容式感测技术，该技术是一种低功耗、低成本且高分辨率的非接触式感测技术，适用于接近检测任意金属或导体。当有手指靠近触控按键时，按键上的金属物相对于大地的电容量将会发生很大的变化，将会引起FDC2214感应振荡频率的变化。FDC2214将会将其转换为28位的数字量，经IIC总线送给MSP430去处理。

3 系统设计原理

3.1 电容感测原理

电容式触摸按键原理图如图2和图3所示。当没有手指按下时，如图2所示金属薄板对地的电容量是C1+C2，是寄生电容；当用手指按下时，如图3所示，寄生电容发生变化，变为C1+C2+C3||C4，C3和C4电容量很大，远大于C1和C2[7,8]。

因为电容容量发生变化，可设定一个按键检测电压，比如是3V。那么电容的充放电时间将会发生很大的变化，容量越大，充电时间越长。据此，就可以判断是否有手指触摸按键，也就可以实现对按键的检测。

在进行按键设计时，为了保证灵敏度，又要预防误操作。单个按键的大小要设置的足够大，两个按键之间要保持一定的间距。一般将按键设计成圆形或者是方形。

3.2 隔离外壳和按键的设计

高温隔离外壳设计如图4和图5所示。

图4所示为高温隔离面板的正面图，图中尺寸的单位是mm。面板的长和宽分别是100mm和90mm。安装孔的直径是5mm，2个安装孔之间的间距是82mm。

图5所示为高温隔离面板的侧面图，侧面用一个螺钉固定，直径是5mm。

按键在高温隔离面板上的分布图如图6所示，图6中的单位是mm。图中共有4个按键，按键1和按键4的垂直间距是13.2mm，按键2和按键3的水平间距是23.3mm。面板上安装有10mm厚的玻璃。边沿是接地金属外壳。

从图中可以看出，有手指按压时，得到的信噪比曲线非常好，是标准的正弦曲线，有效的抑制了噪声[9，10]。

信噪比与按键检测失败之间的对应关系见表1。从表中可以看出，当信噪比高于6db时，按键检测的失败率已经很低，也就是按键检测的成功率很高了。

表1 信噪比与按键检测失败率之间对应关系

4测试

信噪比与空气间隙之间的对应关系见表2，从表中可以看出，空气间隙越小，信噪比越高。也就是按键检测的成功率越高。

测试面板如图7所示，测试时，可采用手指触摸，带手套触摸方式进行。

当用手指触摸按键时，图8所示信噪比曲线图。

表2 信噪比与空气间隙之间对应关系

带手套时，信噪比与空气间隙之间的对应关系见表3。从表中可以看出，间隙越小，信噪比越高。将表3与表2相对比，可以看出，在相同条件下，表3的信噪比要低于表2的信噪比。这是因为戴手套时，寄生电容的容量变小所造成的。

表3 戴手套时信噪比与空气间隙之间对应关系

5 结束语

本文提出了基于电容感测高温触控模块的设计方法。文中详细阐述了电容传感的基本工作原理。通过将感应按键分布在圆盘上，当有手指触碰时，会产生寄生电容，根据电容的变化检测按键。在实际应用中，用厚玻璃将高温工作室与外界隔离，人们不需要进入高温工作室，就可通过触控按键控制室内机器的运行。测试时，搭建了实验平台，通过手指直接触摸按键和戴手套触摸按键对平台进行了测试。测试结果表明，能够有效的检测按键，有效的抑制干扰。该设计具有一定的实用价值，特别适合于高温等危险的工作区域，能够有效的保证工作人员的安全。

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