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作為傳統(tǒng)按鈕式用戶界面的一種替代方案，觸摸傳感應(yīng)用越來越多地用在自動(dòng)售票機(jī)、查詢機(jī)等機(jī)器上，可以提高可靠性并降低系統(tǒng)總成本。觸摸傳感還有助于實(shí)現(xiàn)完全密封和富于現(xiàn)代感的設(shè)計(jì)。 目前應(yīng)用最廣泛的是電容式觸摸傳感技術(shù)，Microchip Technology Inc.（美國(guó)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(duì)其電容式觸摸傳感解決方案是一種互補(bǔ)，其主要應(yīng)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)上有流線感又要減少意外接碰而引起觸發(fā)的汽車市場(chǎng)。電感式觸摸傳感的基本工作原理是可以透過塑料、不銹鋼或鋁制的面板工作，即便是使用者戴著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(shè)計(jì)人員可以在標(biāo)準(zhǔn)8位、16位或32位PIC單片機(jī)（MCU）或16位dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）中利用其現(xiàn)有應(yīng)用代碼集成電感式觸摸傳感功能，進(jìn)而降低系統(tǒng)總成本。 1 基本原理 該方案的工作原理是，當(dāng)人手按壓到面板上以后，面板會(huì)產(chǎn)生數(shù)十微米的彎曲，使面板向底層電路板上的刻蝕形成的線圈移動(dòng)，在印刷電路板上的線圈電感式傳感器就會(huì)檢測(cè)到由于面板彎曲，導(dǎo)致的前面板與PCB板之間的磁通量的微小變化，進(jìn)而引起的線圈中電流的微小變化，系統(tǒng)會(huì)由此判定產(chǎn)生了一次觸摸。系統(tǒng)原理如圖1所示。 2 電感式觸摸傳感方案的結(jié)構(gòu) 整個(gè)電感式觸摸傳感系統(tǒng)由PIC微控制器、接口裝置、電感式觸摸傳感器三部分組成，見圖2。PIC MCU的PWM端口輸出PWM波形到接口裝置，接口將PWM波形轉(zhuǎn)換成可用AC信號(hào)，驅(qū)動(dòng)觸摸傳感器。然后，接口收到觸摸傳感器的相應(yīng)信號(hào)，并轉(zhuǎn)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板表面刻蝕出的線圈構(gòu)成了一個(gè)電感器。前面板充當(dāng)觸摸表面，同時(shí)也用作被用戶按壓的導(dǎo)電片。前面板由導(dǎo)磁或?qū)щ姴牧现谱鳎绮讳P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(dǎo)電片。 線圈通電后，會(huì)在線圈周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流大小成正比。當(dāng)用戶的手指按壓傳感器時(shí)，前面板和導(dǎo)電片會(huì)向下面的線圈方向彎曲，使磁場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而引起線圈周圍電動(dòng)勢(shì)的變化，從而使電感器中流過的電流發(fā)生微小的變化。 將這種微小的電流變化經(jīng)放大、AD轉(zhuǎn)換，再由MCU判定是否發(fā)生了觸摸。面板彎曲的最小數(shù)值是10μm，該數(shù)值取決于前面板的厚度和按鍵的直徑。這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)在大多數(shù)金屬材料的彈性范圍內(nèi)，因此用戶用不著擔(dān)心面板的安全和壽命問題。 Microchip提供的軟件工具可幫助設(shè)計(jì)師確定特定應(yīng)用所需的最小彎曲程度。 導(dǎo)電片的微小移動(dòng)就會(huì)使線圈的電感量發(fā)生很大的變化，所以可以很靈敏地檢測(cè)出手指的觸摸。檢測(cè)的靈敏度取決于空氣腔的大小，以及前面板的堅(jiān)硬程度。檢測(cè)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(jié)構(gòu)。最上面是前面板，也是用戶可以觸摸的，可以印上數(shù)字、操作符號(hào)等標(biāo)識(shí)，下面是導(dǎo)電片層，再下面是墊層，最下面是刻蝕出電感線圈的印刷電路板，如圖3所示。 有時(shí)候，也會(huì)用墊層分開導(dǎo)電片和線圈繞線，使面板能夠彎曲。直接注塑成型的前面板可以不用墊層，因?yàn)樵诔尚偷臅r(shí)候會(huì)形成墊層。當(dāng)使用墊層時(shí)，要在線圈上墊層部分開洞。墊層的材料可以是FR4、FR2、樹脂粘合紙、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(dǎo)電層。例如，用不導(dǎo)電材料注塑成型的前面板，在觸摸區(qū)域下面留了凹槽，再在凹槽內(nèi)貼上導(dǎo)電標(biāo)簽。 如果導(dǎo)電材料是銅、鋁、黃銅或不銹鋼，前面板也可以用做導(dǎo)電片。理論上，可以用任何導(dǎo)磁材料做。然而，從傳感器的性能考慮，還是建議采用導(dǎo)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(yīng)，在按鍵上施加的壓力與物體的屬性無關(guān)，使用者既可以直接用手指進(jìn)行觸發(fā)，也可以戴著手套進(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(dāng)傳感器靠近導(dǎo)電片時(shí)，會(huì)通過一個(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(dǎo)電片中因渦流電流引起的能量損耗。基本上，這個(gè)模型可以看成是一個(gè)變壓器。當(dāng)對(duì)印刷電路板上的刻蝕線圈施加交流電時(shí)，在繞線周圍會(huì)產(chǎn)生磁通。前面板的導(dǎo)電片會(huì)因?qū)щ姴牧袭a(chǎn)生的渦流電流，產(chǎn)生自己的磁通。由于線圈和導(dǎo)電片非常接近，會(huì)產(chǎn)生互感，互感是線圈和導(dǎo)電片之間距離的函數(shù)。從線圈或這個(gè)變壓器模型的初級(jí)側(cè)看進(jìn)去的阻抗會(huì)發(fā)生變化，阻抗的變化會(huì)引起線圈中電流的變化，通過檢測(cè)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(duì)比 電感式觸摸傳感與電容式觸摸傳感方案的對(duì)比情況見表1。 電感式觸摸方案需要運(yùn)算放大器和復(fù)用器，因此需要更大的功率和電流。在環(huán)境適應(yīng)性上，電感式觸摸方案略勝一籌，可以在潮濕、降雨、揚(yáng)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(tǒng)是密封的，可以使用不銹鋼、鋁、塑料等各種材料做外殼，設(shè)計(jì)出美觀的造型。 |
