CN101060321A - 电荷转移装置、触摸感应装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种触摸感应装置和方法，该方法包括下列步骤：步骤1，计数器开始计数，同时周期性地向能够产生感应电容的感应点充电，并将在感应点所充的电荷周期性地转移到第二电容上，同时，比较所述第二电容上的电压与参考电压的大小；当第二电容上的电压大于一参考电压时，计数器停止计数，存储计数器的值；步骤2，根据所存储的计数器的值判断按键是触摸状态还是无触摸状态，同时，所述第二电容进行放电，放电完毕后计数器清零，返回步骤1。通过该发明的装置和方法能够精确地测量出触摸感应的动作发生。

Description

电荷转移装置、触摸感应装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电荷转移装置及方法，进一步涉及一种利用电荷转移装置进行触摸感应的触摸感应装置及触摸感应方法，该方法和装置可以应用于各种集成化的触摸开关。

背景技术

现阶段，大部分轻触开关的实现方案都是采用电容测量的方法。在目前的电容感应触摸开关中，基本原理是测量未知电容上的电荷的多少，从而确定未知电容的大小。这种方法存在如下缺点：

1、稳定性差，由于未知电容受到外界干扰时，电荷量会明显变化，电荷量经常不能反映未知电容的大小。

2、成本高，测量电荷需要高精度ADC，电路结构复杂，提升成本。

发明内容

为了解决如上缺点，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种成本低，功耗低，灵敏度可以调节，误触发率低的触摸开关。

根据上述目的，本发明提供了一种电荷转移方法，该方法包括，

按照一定时间间隔，周期性地向一第一电容充电，并且在所述周期的时间间隔中，将在第一电容上累积的电荷周期性地转移到一第二电容上；

本发明进一步提供了一种触摸感应方法，该方法包括下列步骤，

步骤1，计数器开始计数，同时周期性地向具有分布电容的感应点充电，并将在感应点所充的电荷周期性地转移到第二电容上，同时，比较所述第二电容上的电压与参考电压的大小；当第二电容上的电压大于比较器的参考电压时，计数器停止计数，存储计数器的值；

步骤2，根据所存储的计数器的值判断按键是触摸状态还是无触摸状态，同时，所述第二电容进行放电，放电完毕后计数器清零，返回步骤1。

进一步，所述步骤2中所述确定的步骤包括步骤：

将计数器的值与预先设定的无触摸计数值进行比较，若其差值大于预先设定的标准差值，则认为按键是触摸状态，若否，则认为按键是无触摸状态。

进一步，所述步骤2中所述的判断步骤包括如下步骤：

步骤21，比较当前读取值与上一次计数值的大小；若当前读取值大于上一次计数值，则执行步骤22；若当前读取值小于上一次计数值，则执行步骤23；

步骤22，判断上一次按键状态是否为触摸状态，若是处于触摸状态，则执行执行步骤24；若是处于无触摸状态，则将无触摸计数值刷新为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；

步骤23，判断上一次按键状态是否为触摸状态，若是处于触摸状态，则将有触摸计数值刷新为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；若是无触摸状态，则执行步骤25；

步骤24，计算当前存储值与上一次计数值之差，若所述差值大于按键无触摸标准差值，则按键为无触摸状态，刷新无触摸计数值为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；若所述差值小于无触摸状态标准差值，则按键为触摸状态，结束本处理流程；

步骤25，计算当前读取值与上一次的触摸按键值之差，将计算的差值与按键有触摸标准差值做比较，判断是否触摸按键，若计算的差值大于按键有触摸标准差值，则按键为触摸状态；若计算的差值小于按键有触摸标准差值，则按键为无触摸状态。

进一步，所述参考电压值小于充电电压的二分之一。

进一步，所述按键有触摸标准差值和按键无触摸标准差值的数值范围为10-500。

进一步，所述计数器计数值的范围为100-65500。

进一步，本发明提供了一种电荷转移装置，包括：

第一电容、第二电容、电源、第一开关，第二开关；

所述电源连接至第一开关，用于通过第一开关对第一电容进行周期性地充电；

所述第二电容通过所述第二开关连接至所述第一电容，用于将所述第一电容累积的电荷周期性地转移到第二电容上。

进一步，所述第一开关和第二开关通过非交叠时钟分别控制其开通和关断。

进一步，本发明提供了一种触摸感应装置，包括，

感应点，用于产生感应电容；

电源，连接至一第一开关，用于通过第一开关对感应点产生的感应电容进行周期性地充电；

第二电容，通过第二开关连接至所述感应点的分布电容，用于将所述分布电容累积的电荷周期性地转移到第二电容上；

比较器，用于比较所述第二电容上的电压与参考电压的大小；

计数器；

处理器；

第三开关；

所述比较器翻转时产生翻转信号输出给所述第三开关以及所述计数器；

所述第三开关接收到翻转信号后闭合，对第二电容放电，并在放电完毕后打开所述第三开关；

所述计数器接收到翻转信号后停止计数，并将计数值传送给所述处理器；

所述处理器接收到所述计数值后，根据收到的计数值确定按键状态，并返回信号将计数器清零，计数器重新开始计数。

进一步，所述第一开关和第二开关通过非交叠时钟分别控制其开通和关断。

进一步，所述感应点由构成电容的PCB走线组成。

进一步，所述处理器对所述计数值与预先设定的无触摸按键值进行比较，若两者的差值大于预先设定的标准差值，则按键为有触摸状态，否则，按键为无触摸状态。

进一步，所述参考电压值小于充电电压的二分之一。

进一步，所述第一和第二开关为MOS管、三极管、继电器、光耦其中之一。

进一步，所述处理器还执行如下操作：

步骤21，比较当前读取值与上一次计数值的大小；若当前读取值大于上一次计数值，则执行步骤22；若当前读取值小于上一次计数值，则执行步骤23；

步骤22，判断上一次按键状态是否为触摸状态，若是处于触摸状态，则执行步骤24；若是处于无触摸状态，则将无触摸计数值刷新为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；

步骤23，判断上一次按键状态是否为触摸状态，若是处于触摸状态，则将有触摸计数值刷新为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；若是无触摸状态，则执行步骤25；

步骤24，计算当前存储值与上一次计数值之差，若所述差值大于按键无触摸标准差值，则按键为无触摸状态，刷新无触摸计数值为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；若所述差值小于无触摸状态标准差值，则按键为触摸状态，结束本处理流程；

步骤25，计算当前读取值与上一次的触摸按键值之差，将计算的差值与按键有触摸标准差值做比较，判断是否触摸按键，若计算的差值大于按键有触摸标准差值，则按键为触摸状态；若计算的差值小于按键有触摸标准差值，则按键为无触摸状态。

进一步，所述按键按下标准差值和按键松开标准差值的数值范围为10-500。

进一步，所述计数器计数值的范围为100-65500。

通过以下结合附图对本发明优选实施方式的描述，本发明的其他特点、目的和效果将变得更加清楚和易于理解。

附图说明

图1是本发明的触摸感应装置的基本原理图；

图2是非交叠时钟信号图；

图3是触摸感应点PCB和等效电容示意图；

图4是其他几种触摸感应点PCB形式；

图5是采用电阻分压来实现参考电压；

图6是本发明的触摸感应自适应流程。

在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

实施例一

图1所示为本发明的触摸感应装置的原理图。如图所示，其中包括：感应点1、电荷转移装置2、比较器3、计数器4、处理器5、第三开关S3。

感应点1用于感应不同环境与地(gnd)之间的电容性，从而产生一个感应电容Cs。感应点1可以由PCB走线形成的，PCB走线可以做成如附图3所示的形状，也可以做成附图4所示的形状，以能够形成正确的感应电容，保证感应动作的可靠性。

由于感应点1上产生的电容Cs很小，每次传输电荷量也很少，因此很难测量。本发明提供了一种能够将电荷量进行累积的电荷转移装置2，其通过对感应点1进行不断地充电以及电荷转移，从而转换成可以测量的电压。

电荷转移装置2，其中包括第一开关S1、第二开关S2以及电容Cc21。开关S1、S2可用MOS管来实现，还可以用三极管、继电器、光耦等实现。开关电路S1、S2通过如图2所示的非交叠时钟分别控制其开和关。这样，通过周期性地接通、断开开关S1和S2，使感应点1的电容Cs积累到充分的电荷量，并将累积的电荷全部转移到电容Cc21上，从而使得在电容Cc21处达到可以测量的电压VCc。

相关计算如下：

设Cs每次充电电压为V_DD，电荷量为

CsV_DD

因此，第一次充放电后的电荷为

(Cs+Cc)V₁＝CsV_DD，

V₁为Cc上的电压；

其工作过程如下：每次S1接通时，感应点1的电容Cs通过充电电压V_DD开始充电；开关S1断开后，由于非交叠时钟控制，这时开关S2接通，从而将感应点1的电容Cs的电荷转移到电容Cc21上。这样经过多个周期性的充电荷转移，使得在感应点1的电容Cs上累积的电荷全部转移到电容Cc21上。

电容Cc21上的电荷转换为电压输入到比较器3，比较器3的输入端为一个参考电压V_ref，用其与电容Cc21的电压VCc比较，比较的结果产生对计数器4的控制信号。参考电压V_ref可以采用电阻分压来实现，如附图5所示，其中R1和R2为分压电阻。

当所述比较器3翻转时，产生翻转信号输出给所述第三开关S3以及所述计数器4；

所述第三开关S3接收到翻转信号后闭合，用于对第二电容放电，并在放电完毕后，所述第三开关S3打开；

所述计数器4接收到翻转信号后停止计数，并将其计数值传送给所述处理器5；

所述处理器5接收到所述计数值后，根据接收到的所述计数器的值判断按键是触摸状态还是无触摸状态，同时，返回一个信号将计数器清零，然后计数器重新开始计数。

在本实施例中，比较器3输入端产生用于比较的参考电压V_ref值设计为小于每次充电电压的二分之一，即小于V_DD/2，因为如果参考电压值较高，会引入一定的系统误差。

如果有触摸动作发生时，感应点1能够感应到人体与地之间的电容，按照如上所述的方法，在感应点1处的感应电容Cs，同理，通过电荷传输和累积，将该微弱的感应电容Cs不停地累积并不停地转换为电容Cc21的电压VCc，当VCc超过比较器的参考电压Vref时，比较器翻转，发出停止信号，计数器4停止计数，这样得到一个新的计数值，即触摸发生时新的电容充电时间。

计数器4的值之后输入到处理器5中，处理器5根据计数器的输入的值和系统设置的无触摸时的充电时间值进行差值计算，当差值大于系统预先设定的标准差值时，则处理器5判断现在的状态为触摸状态。本领域技术人员能够理解，该标准差值的大小能够根据系统的硬件参数进行设定。

这样，通过检测计数器的值是否发生了变化，从而判断出有无触摸动作发生。

实施例二

由于感应点1所产生的感应电容Cs可能会随外界环境的温度和湿度的变化而改变，从而感应点1的充电时间也会随其所处环境的温度和湿度的改变而改变。这样，随着环境的变化，实际的无触摸充电计数值T_nkn会缓慢发生变化，而当这个变化差值大于规定的标准差值的话，也会被误认为是有触摸动作。同理可知，在触摸状态下，环境仍然在对计数器的值产生影响，可能会将计数器的值变成无触摸的值。

因此为了保证准确触发及较高的灵敏度，需要对感应点1所产生的感应电容Cs的变化进行评测，这样就要不断调整无触摸充电计数值，以及设定灵敏度无触摸状态标准差值和触摸状态标准差值。

因此，最优地，本发明的第二实施例的触摸感应系统具有自适应能力。判断有触摸动作是通过两次读取感应点充电时间值做差，然后与预先规定的阈值做比较，不断更新无触摸计数值和有触摸计数值来实现。

在第二个实施例中，我们提出了一个解决方案，即使得无触摸充电计数值T_nkn始终随着环境的变化而变化，使得最新设定的无触摸充电计数值T_nkn始终等于或逼近实际的无触摸充电时间值，实现感应点对环境的自适应。

相关公式为： $T_{\mathrm{nkn}}=\frac{T_{\mathrm{nkn}}^0+T_{\mathrm{nkn}}^1}{2}$

(T_nkn：新的无触摸充电计数值，T_nkn ⁰：前一次无触摸充电计数值，T_nkn ¹新读取的无触摸充电计数值)；

同理，有触摸充电计数值自适应公式为： $T_{\mathrm{mkn}}=\frac{T_{\mathrm{mkn}}^0+T_{\mathrm{mkn}}^1}{2}$

(T_mkn：新的有触摸充电计数值，T_mkn ⁰：前一次有触摸充电计数值，T_mkn ¹新读取的有触摸充电计数值)；

达到上述目的，在比较器翻转，计数器停止计数后，本发明的触摸感应装置中的处理器5还需要实现如下具体步骤，流程图如图6所示：

开始；

步骤1，读取计数器4的值，并保存；

步骤2，通过比较所读取的计数器的值与上一次计数器的值的大小，进行判断；如果读取值大于上一次计数值，执行步骤3；如果读取值小于上一次计数值，执行步骤4；

步骤3，确定上一次的按键状态是否处于触摸状态；如果是，执行步骤5；如果否，则自适应刷新无触摸时的计数值为 $T_{\mathrm{nkn}}=\frac{T_{\mathrm{nkn}}^0+T_{\mathrm{nkn}}^1}{2},$ 将最新按键状态设定为无触摸状态，返回步骤1；

步骤4，判断上一次按键是否处于触摸状态：如果是，直接刷新有按键触摸计数值为最新读取的计数值，返回步骤1；如果否，执行步骤6；

步骤5，将最新读取值与上一次的触摸按键值做差，结果与无触摸状态标准差值做比较，若所述差小于按键无触摸标准差值，则按键为无触摸状态，直接刷新无触摸计数值为最新读取的计数值，返回步骤1；若所述差大于无触摸状态标准差值，则按键仍为触摸状态，返回步骤1；

步骤6，将最新读取值与上一次的触摸按键值做差，结果与按键有触摸标准差值做比较，判断是否触摸按键，若结果大于按键有触摸标准差值，则按键为触摸状态，直接刷新按键有触摸计数值为新读取值；若结果小于按键有触摸标准差值，则按键为无触摸状态，返回步骤1。

在上述的实施例中，通过多次试验测试，我们得到计数器的范围应该为100～65500之间。而“按键有触摸标准差值”和“按键无触摸标准差值”的范围。我们测试的结果是从10～500均有使用。在本实施例中，我们可以按照“按键有触摸标准差值”为100，“按键无触摸标准差值”为90来进行比较。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (17)

1、一种电荷转移方法，该方法包括：

按一定时间间隔周期性地向第一电容充电，并在所述时间间隔中，将在第一电容上累积的电荷周期性地转移到第二电容上。

2、一种触摸感应方法，该方法包括下列步骤：

步骤1，周期性地向能够产生感应电容的感应点充电，并将在感应点所充的电荷周期性地转移到第二电容上，同时计数器开始计数，比较所述第二电容上的电压与参考电压的大小；当第二电容上的电压大于参考电压时，计数器停止计数，存储计数器的值；

步骤2，读取计数器的值，根据所存储的计数器值确定按键是触摸状态还是无触摸状态，同时，所述第二电容进行放电，放电完毕后计数器清零，返回步骤1。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中所述确定的步骤包括步骤：

将计数器的值与预先设定的无触摸计数值进行比较，若其差值大于预先设定的标准差值，则认为按键是触摸状态，若否，则认为按键是无触摸状态。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中所述的判断步骤包括如下步骤：

步骤21，比较当前读取值与上一次计数值的大小；若当前读取值大于上一次计数值，则执行步骤22；若当前读取值小于上一次计数值，则执行步骤23；

步骤22，判断上一次按键状态是否为触摸状态，若是处于触摸状态，则执行执行步骤24；若是处于无触摸状态，则将无触摸计数值刷新为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；

步骤23，判断上一次按键状态是否为触摸状态，若是处于触摸状态，则将有触摸计数值刷新为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；若是无触摸状态，则执行步骤25；

步骤24，计算当前存储值与上一次计数值之差，若所述差值大于按键无触摸标准差值，则按键为无触摸状态，刷新无触摸计数值为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；若所述差值小于无触摸状态标准差值，则按键为触摸状态，结束本处理流程；

步骤25，计算当前读取值与上一次的触摸按键值之差，将计算的差值与按键有触摸标准差值做比较，判断是否触摸按键，若计算的差值大于按键有触摸标准差值，则按键为触摸状态；若计算的差值小于按键有触摸标准差值，则按键为无触摸状态。

5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述参考电压值小于充电电压的二分之一。

6、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述按键有触摸标准差值和按键无触摸标准差值的数值范围为10-500。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述计数器计数值的范围为100-65500。

8、一种电荷转移装置，包括：

第一电容、第二电容、电源、第一开关，第二开关；

所述电源连接至第一开关，用于通过第一开关对第一电容进行周期性地充电；

所述第二电容通过所述第二开关连接至所述第一电容，用于将所述第一电容累积的电荷周期性地转移到第二电容上。

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述第一开关和第二开关通过非交叠时钟分别控制其开通和关断。

10、一种触摸感应装置，其特征在于，包括：

感应点，用于产生感应电容；

电源，连接至一第一开关，用于通过第一开关对感应点产生的感应电容进行周期性地充电；

第二电容，通过第二开关连接至所述感应点的分布电容，用于将所述分布电容累积的电荷周期性地转移到第二电容上；

比较器，用于比较所述第二电容上的电压与参考电压的大小；

计数器；

处理器；

第三开关；

所述比较器翻转时产生翻转信号输出给所述第三开关以及所述计数器；

所述第三开关接收到翻转信号后闭合，对第二电容放电，并在放电完毕后打开所述第三开关；

所述计数器接收到翻转信号后停止计数，并将计数值传送给所述处理器；

所述处理器接收到所述计数值后，根据收到的计数值确定按键状态，并返回信号将计数器清零，计数器重新开始计数。

11、根据权利要求10所述的装置，其特征在于：

所述第一开关和第二开关通过非交叠时钟分别控制其开通和关断。

12、根据权利要求10所述的装置，其特征在于：

所述感应点由构成电容的PCB走线组成。13、根据权利要求10所述的装置，其特征在于：

所述处理器对所述计数值与预先设定的无触摸按键值进行比较，若两者的差值大于预先设定的标准差值，则按键为有触摸状态，否则，按键为无触摸状态。

14、根据权利要求10所述的装置，其特征在于：

所述参考电压值小于充电电压的二分之一。

15、如权利要求10所述的装置，其特征在于：

所述第一和第二开关为MOS管、三极管、继电器、光耦其中之一。

16、根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述处理器还执行如下操作：

步骤21，比较当前读取值与上一次计数值的大小；若当前读取值大于上一次计数值，则执行步骤22；若当前读取值小于上一次计数值，则执行步骤23；

步骤22，判断上一次按键状态是否为触摸状态，若是处于触摸状态，则执行步骤24；若是处于无触摸状态，则将无触摸计数值刷新为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；

步骤23，判断上一次按键状态是否为触摸状态，若是处于触摸状态，则将有触摸计数值刷新为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；若是无触摸状态，则执行步骤25；

步骤24，计算当前存储值与上一次计数值之差，若所述差值大于按键无触摸标准差值，则按键为无触摸状态，刷新无触摸计数值为(当前读取值+上一次计数值)/2，结束本处理流程；若所述差值小于无触摸状态标准差值，则按键为触摸状态，结束本处理流程；

步骤25，计算当前读取值与上一次的触摸按键值之差，将计算的差值与按键有触摸标准差值做比较，判断是否触摸按键，若计算的差值大于按键有触摸标准差值，则按键为触摸状态；若计算的差值小于按键有触摸标准差值，则按键为无触摸状态。

17、根据权利要求16所述的装置，其特征在于：

所述按键按下标准差值和按键松开标准差值的数值范围为10-500。

18、根据权利要求10所述的装置，其特征在于：所述计数器计数值的范围为100-65500。

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