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作為傳統按鈕式用戶(hù)界面的一種替代方案，觸摸傳感應用越來(lái)越多地用在自動(dòng)售票機、查詢(xún)機等機器上，可以提高可靠性并降低系統總成本。觸摸傳感還有助于實(shí)現完全密封和富于現代感的設計。 目前應用最廣泛的是電容式觸摸傳感技術(shù)，Microchip Technology Inc.（美國微芯科技公司）在2008年推出的mTouch電感式觸摸傳感技術(shù)是對其電容式觸摸傳感解決方案是一種互補，其主要應用領(lǐng)域包括可能需要采用不銹鋼面板的家電市場(chǎng)；需要技術(shù)上持久耐用性的工業(yè)市場(chǎng)；以及需要技術(shù)上有流線(xiàn)感又要減少意外接碰而引起觸發(fā)的汽車(chē)市場(chǎng)。電感式觸摸傳感的基本工作原理是可以透過(guò)塑料、不銹鋼或鋁制的面板工作，即便是使用者戴著(zhù)手套或面板上落上了液體，傳感器依然可以正常工作。 利用這一新技術(shù)，設計人員可以在標準8位、16位或32位PIC單片機（MCU）或16位dsPIC數字信號控制器（DSC）中利用其現有應用代碼集成電感式觸摸傳感功能，進(jìn)而降低系統總成本。 1 基本原理 該方案的工作原理是，當人手按壓到面板上以后，面板會(huì )產(chǎn)生數十微米的彎曲，使面板向底層電路板上的刻蝕形成的線(xiàn)圈移動(dòng)，在印刷電路板上的線(xiàn)圈電感式傳感器就會(huì )檢測到由于面板彎曲，導致的前面板與PCB板之間的磁通量的微小變化，進(jìn)而引起的線(xiàn)圈中電流的微小變化，系統會(huì )由此判定產(chǎn)生了一次觸摸。系統原理如圖1所示。 2 電感式觸摸傳感方案的結構 整個(gè)電感式觸摸傳感系統由PIC微控制器、接口裝置、電感式觸摸傳感器三部分組成，見(jiàn)圖2。PIC MCU的PWM端口輸出PWM波形到接口裝置，接口將PWM波形轉換成可用AC信號，驅動(dòng)觸摸傳感器。然后，接口收到觸摸傳感器的相應信號，并轉換成直流電壓，送到PIC MCU上的ADC，由PIC MCU判定是否發(fā)生了觸摸。 在PCB板表面刻蝕出的線(xiàn)圈構成了一個(gè)電感器。前面板充當觸摸表面，同時(shí)也用作被用戶(hù)按壓的導電片。前面板由導磁或導電材料制作，例如不銹鋼。如果采用木材或塑料，則需要在面板的下面粘貼上一個(gè)導電片。 線(xiàn)圈通電后，會(huì )在線(xiàn)圈周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強度與電流大小成正比。當用戶(hù)的手指按壓傳感器時(shí)，前面板和導電片會(huì )向下面的線(xiàn)圈方向彎曲，使磁場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而引起線(xiàn)圈周?chē)妱?dòng)勢的變化，從而使電感器中流過(guò)的電流發(fā)生微小的變化。 將這種微小的電流變化經(jīng)放大、AD轉換，再由MCU判定是否發(fā)生了觸摸。面板彎曲的最小數值是10μm，該數值取決于前面板的厚度和按鍵的直徑。這個(gè)數值遠在大多數金屬材料的彈性范圍內，因此用戶(hù)用不著(zhù)擔心面板的安全和壽命問(wèn)題。 Microchip提供的軟件工具可幫助設計師確定特定應用所需的最小彎曲程度。 導電片的微小移動(dòng)就會(huì )使線(xiàn)圈的電感量發(fā)生很大的變化，所以可以很靈敏地檢測出手指的觸摸。檢測的靈敏度取決于空氣腔的大小，以及前面板的堅硬程度。檢測算法可在Microchip的網(wǎng)站下載。 電感式mTouch傳感器采用了多層式的結構。最上面是前面板，也是用戶(hù)可以觸摸的，可以印上數字、操作符號等標識，下面是導電片層，再下面是墊層，最下面是刻蝕出電感線(xiàn)圈的印刷電路板，如圖3所示。 有時(shí)候，也會(huì )用墊層分開(kāi)導電片和線(xiàn)圈繞線(xiàn)，使面板能夠彎曲。直接注塑成型的前面板可以不用墊層，因為在成型的時(shí)候會(huì )形成墊層。當使用墊層時(shí)，要在線(xiàn)圈上墊層部分開(kāi)洞。墊層的材料可以是FR4、FR2、樹(shù)脂粘合紙、ABS或其他塑料。墊層的厚度是孔洞直徑的1%～3%。材料的來(lái)源可以很廣泛，但必須是硬質(zhì)和絕緣的。 有時(shí)候，也可以不用墊層和導電層。例如，用不導電材料注塑成型的前面板，在觸摸區域下面留了凹槽，再在凹槽內貼上導電標簽。 如果導電材料是銅、鋁、黃銅或不銹鋼，前面板也可以用做導電片。理論上，可以用任何導磁材料做。然而，從傳感器的性能考慮，還是建議采用導電材料，這樣還可以同時(shí)保持低成本。 由于該方案不依靠人體或場(chǎng)效應，在按鍵上施加的壓力與物體的屬性無(wú)關(guān)，使用者既可以直接用手指進(jìn)行觸發(fā)，也可以戴著(zhù)手套進(jìn)行操作，即便是盲人也可以操作。而且由于面板材料硬度很高，雨水、灰塵都不會(huì )引起面板的彎曲，因此不會(huì )誤觸發(fā)。 3 仿真模型 圖4是電感式傳感器的電模型。當傳感器靠近導電片時(shí)，會(huì )通過(guò)一個(gè)小電阻與副邊的電感器耦合。這個(gè)電阻以Rtarget表示，代表了在導電片中因渦流電流引起的能量損耗�；旧�，這個(gè)模型可以看成是一個(gè)變壓器。當對印刷電路板上的刻蝕線(xiàn)圈施加交流電時(shí)，在繞線(xiàn)周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生磁通。前面板的導電片會(huì )因導電材料產(chǎn)生的渦流電流，產(chǎn)生自己的磁通。由于線(xiàn)圈和導電片非常接近，會(huì )產(chǎn)生互感，互感是線(xiàn)圈和導電片之間距離的函數。從線(xiàn)圈或這個(gè)變壓器模型的初級側看進(jìn)去的阻抗會(huì )發(fā)生變化，阻抗的變化會(huì )引起線(xiàn)圈中電流的變化，通過(guò)檢測電流的變化就可以判定是否發(fā)生了觸摸。 4 與電容式觸摸方案的對比 電感式觸摸傳感與電容式觸摸傳感方案的對比情況見(jiàn)表1。 電感式觸摸方案需要運算放大器和復用器，因此需要更大的功率和電流。在環(huán)境適應性上，電感式觸摸方案略勝一籌，可以在潮濕、降雨、揚塵等環(huán)境下使用，也不會(huì )因觸摸面上的液體引起誤觸發(fā)。而且，整個(gè)系統是密封的，可以使用不銹鋼、鋁、塑料等各種材料做外殼，設計出美觀(guān)的造型。 |
