浅谈电容触摸技术的各类解决方案
摘要：各类家电的操作器普遍采用触摸按键的方式对设备进行控制，在抗干
扰以及响应速度上有不错的表现，结构上不易损坏，而且也有整体性的外观亮点。
其中电容式触摸按键响应快被广泛使用，本文针对电容触摸方式探讨了各公司提
出和设计的电容触摸按键解决方案以及设计所需注意事项。
关键词：电容；触摸按键；
Brief discussion on various solutions of capacitive touch technology
（TCL Air Conditioner（ZhongShan）Co.,Ltd, 528400）
Abstract:The operators of all kinds of household appliances generally use touch keys to control the equipment, in the anti-interference and response speed has a good performance, the structure is not easy to damage, but also has the overall appearance of bright spots. Capacitive touch key response is widely used. This paper discusses the capacitive touch key solutions proposed and designed by various companies and the matters needing attention in design.
Key words: capacitance; Touch key;
引言
电容传感器可以解决许多不同类型的传感和测量问题。
它们能够被集成到一
个印刷电路板或一个微芯片中，并且具有非常优秀的精确性，对温度良好的稳定性，以及很少的耗电量。
利用电容传感技术实现的按键系统，因为电容传感器结
构简单，具有高可靠性和低能耗性，不受温度、湿度、或机械偏差的影响，相对
于传统机械按键和其他的触摸按键实现方案具有极大的优势，而被越来越广泛的
应用到家电、消耗电子、访问控制等领域，基本上可以替代软薄膜开关和硬固体
开关。
基于对电容触摸按键的广泛需求，各大电子厂商都推出了形式多样的电容
触控解决方案及其传感产品。
各大厂商的解决方案中运用的检测原理不同，各有
优势和缺点，采样检测硬件和软件集成于厂商设计的芯片当中与主芯片通信实现
按键触摸功能，这种设计便于简单场景的使用，但对于复杂环境来说缺少灵活性，开发人员无法了解程序内部运作方式，在实际开发过程中可能会留下隐患，因此
也有一些简单软件算法控制和采样的解决方案。
1研究现状
图1赛普拉斯电容解决方案概念图[1]
1.1 赛普拉斯CapSense解决方案
CapSense触摸感应技术是基于赛普拉斯的可编程片上系统（PSoC）平台开发，根据电容感应的原理和松弛振荡器的技术实现触摸感应，可适用于触摸式按键、
触摸式滚动条（Slider）、触摸式平板（TouchPad）的触摸感应技术。
用恒流源
对Cp充电，充电完成后比较器翻转控制复位开关，迅速放电，比较器迅速翻转
回复，然后Cp再次充电形成震荡，PWM的duty期开始和结束控制定时器开始计
时和结束计时，PWM的输入震荡次数固定，震荡的时间与充电时间正比，也就是
跟Cp正比，因此可以通过计数值判断按键。
它能够支持LED效果、接近检测、SmartSense电容式感应算法，防水已对各种模拟和数字模块进行更高级的系统集成。
图2 Atmel QTouch概念图
1.2 Atmel的QTouch解决方案
QTouch技术是Atmel触摸技术前身Quantum（量研科技）的专利，所开发的集成电路技术基于电荷-传输电容式感测，通过QTouch IC检测用传感器芯片与按键电极连接来检测触摸。
打开S2给Cs和Cx充电，然后断开S2，闭合S1释放Cx电荷，但Cs的电荷会保留下来，此时再打开S1，闭合S2进行充电，Cs就是2倍的电荷量。
Cx电容就是人体数值触摸的电容，触摸后增大了Cx的容量，因此能在更少的充电次数中让Cs达到目标电荷量从而检测出按键。
Atmel提供了多种触摸传感器集成电路实现按钮、滑条和滑轮的功能并且支持1～10个按键配置以及更复杂的扫描矩阵配置（多达48个按钮）
图3 mTouch方案概念图
1.3 Microchip的mTouch触摸传感解决方案
当人手按压到面板上以后，面板会产生数十微米的弯曲，使面板向底层电路板上蚀刻的线圈移动，在印刷电路板上的线圈电感式传感器就会检测到由于面板弯曲，导致的前面板与PCB之间的磁通量的微小变化，系统会由此判定产生了一次触摸。
mTouch触摸传感解决方案具有出众的噪声鲁棒性、且无需额外外部元件
就可以实现功能。
它能够采用玻璃和塑料表面、金属表面，并且具有很强的灵活性。
它的功耗很低，工作电压仅为1.8V。
它可以应用于8位，16位和32位的PIC微控制器。
图4 TI电容触摸解决方案概念图
1.4 TI的金属触摸解决方案
TI推出了MSP430系列的单芯片触摸解决方案，其原理是把金属板与触摸PCB当成电容的上下极板，当金属板产生形变时，金属板和PCB触摸按键的距离降低，距离减小后将导致金属板和PCB触摸板直接的电容值变化，对于该电容值测量可通过对应的RC震荡、电容分压、CTMU等方法检测出。
图5电容触摸分立式元件概念图[1]
1.5 电容分压分立元件方案
利用电容分压电路实现电容采样时，需要对电容分压电路的充放电过程进行分步控制，图中，初始状态，KEY1和KEY2都是断开的状态，A和B都是高阻状态。
充电状态，KEY1闭合，A点与5V电源相连，对CREF和Cx进行充电。
保持状态，KEY1断开，再次将A点悬空，变为高阻状态。
放电状态，KEY2闭合，B点与接地相连，对Cx放电。
以此循环，由循环过程可知，单词充电循环中对参考电容CREF未进行放电操作，每次循环过程中都会在参考电容CREF中残留一定的
电量，这部分残留电量会使参考电容的电容值变小，即CREF＇＜CREF。
待测电容Cx与参考电容CREF的比值越大残留的电量就越多，参考电容CREF的减小量就越大。
参考电容CREF和待测电容Cx的电容比与它们的分压比成反比。
若参考电容CREF’变小，在待测电容Cx不变的情况下，参考电容上的分压UREF’将会变大。
在经过数次充放电循环之后，每次循环结束参考电容CREF’上的分压UREF’都
会随着CREF’值的减小而增加。
待测电容Cx的值越大，最后得到的UREF’就越大，即UREF’和Cx之间是正相关的关系，因此可通过测量UREF’的值来获得Cx
的变化情况。
2设计注意事项
自电容的方式和互电容的方式都可采用，该方法走线和器件布局简单抗干扰强，但对多点触摸分辨差，互电容方式则测量收发电极电容的方法检测，该方法
多点触摸分辨好，但走线布局复杂抗干扰差。
对于单按键和触摸滑条更倾向于自
电容的方式。
[2]
触摸滑条的应用中，按键板应紧紧的封装在一起，未使用的相邻按键板将通
过器件接地，使得按键板周围形成动态接地平面。
通常情况下，按键板尺寸越大，触摸灵敏度越高，但是当手指无法完全覆盖
按键板区域时，将尺寸放大并不能改变灵敏度，甚至由于间隙产生干扰，对于触
摸滑条的应用，按键板更需要排除干扰，因此不能设计太大。
结构覆盖材料尽量选用介电常数高的，有助于手指与按键板的耦合，传感器
板和覆盖材料之间应不能存有间隙空气，间隙聚集水分凝聚传感器板表面产生干扰。
[3]
3结语
触摸按键作为结合低成本和操作感好优点的交互方式一直是各种电器操作器
的首选方案，而电容式的触摸按键因响应速度快和抗干扰受到广泛采用，各厂家
根据此推出的一些算法也都能针对各种场景有很强的应用性，对电器产品的操作
器设计有重要的参考作用。
参考文献
[1]史明.一种基于通用微控制器的电容滑条传感器的设计与实现.2016.上海交通大学,MA thesis.
[2]《STM32F072-DISCO 电容触摸滑条原理》百度学术.2016
[3]赵宏涛.电容式触摸按键系统设计与实现.2021.天津工业大学,MA thesis.。