CN114397977A - 一种电容感应型输入检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容感应型输入检测装置，包括：触控感应电极阵列、自容检测模块和处理器，触控感应电极阵列由4个触控感应电极和8个电阻组成；自容检测模块检测触控感应电极阵列不同检测端口的分布电容；处理器配置为：计算触控感应电极阵列每个检测端口上的分布电容变化量及增减趋势，然后根据分布电容变化量及增减趋势得到具体触控位置，并以此为依据判断触控运动轨迹，包括手势方向。

Description

一种电容感应型输入检测装置

技术领域

本发明涉及一种电容感应型输入检测装置。

背景技术

随着电器智能化的需求，越来越多的电器产品如家用电器等需要配置触控检测（包括手势检测）等人机交互装置。现有的触控输入检测技术，有一些采用电容感应的方式，比如触摸按键和触摸面板，这些采用电容感应的检测方式均需要实际触摸到装置界面，无法通过电容感应到触摸物的接近，也无法应用到人的手势检测和判断上，因此其应用的方面和领域范围较小。

另外也有一些解决方案通过在不同方向上使用不同的触控感应电极来实现隔空感应检测，但是由于各个感应电极是单独工作的，而且其面积有限，所以感应信号量很小，检测距离和精度都不好。

发明内容

本发明提出了一种电容感应型输入检测装置，以实现诸如人手等导电触摸物的

动作检测。

本发明提供的电容感应型输入检测装置，包括触控感应电极阵列、自容检测模块和处理器；触控感应电极阵列，由4个触控感应电极和分别与之连接的8个电阻组成，并设置4个检测端口；自容检测模块，连接所述触控感应电极阵列的检测端口，用于检测触控感应电极阵列上不同检测端口的分布电容；处理器，配置为：计算触控感应电极阵列每个检测端口上的分布电容变化量及电容变化量的增减趋势，且根据相反方向两个检测端口的分布电容变化量及增减趋势，判断大致触控区域，然后查询预存的分布电容增减量与触控位置对应关系数据表得到具体触控位置，并以此为依据判断触控运动轨迹，包括手势方向。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有如下显著优点：检测位置精度高、检测装置成本低、能检测微弱触控信号，能够广泛应用于家用电器或其他电器的人机界面。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1 触控感应电极阵列结构示意图。

图2 电容感应型输入检测装置整体框图。

图3 触控感应电极阵列在左右方向上的简化结构图。

图4 左右方向上简化的触控感应电极阵列和自容检测模块的工作原理图。

图5 当自容检测模块中SW1闭合，SW2断开的等效电路图。

图6 当自容检测模块中SW1闭合，SW2断开的等效电路进一步简化图。

图7 自容检测模块检测左触控感应电极电路示意图。

图8 自容检测模块检测左并联分支电路示意图。

图9 触控物与触控感应电极阵列的位置关系在左右方向上的3种情况示意图。

具体实施方式

为了更清晰的说明本发明，下面公开了一个实施例子，实施例的示例在附图中示出。实施例仅为示例，本发明并不是仅仅局限于实施例。

【实施例1】

图1为本发明实施例的一种触控感应电极阵列结构示意图。

触控感应电极阵列中有4个触控感应电极平铺在同一平面，该平面的4个方向分别命名为“上”、“下”、“左”和“右”方向，4个触控感应电极分别位于感应矩阵平面的左上、左下、右上和右下，每个触控感应电极在感应矩阵外边界方向分别连接电阻，相邻的两个触控感应电极相同方向的电阻的另一端连接在一起，设置为检测端口（分别命名为上、下、左和右检测端口）。8个电阻值都为R，4个触控感应电极面积都为S。

如图2所示，触控感应电极阵列通过上下左右4个方向上的检测端口，接到自容检测模块。由自容检测模块检测触控感应电极阵列不同方向检测端口上的分布电容。

在此实施例中，检测方法如下。

自容检测模块中周期性交替连接上下和左右的检测端口，通过下列两个阶段测量电容。

阶段1：自容检测模块连接左右检测端口，则触控感应电极阵列在左右方向上的简化结构如图3所示，左上和左下两块触控电极简化为左触控电极，右上和右下两块触控电极简化为右触控电极。自容检测模块连接左右检测端口时自容检测模块的工作原理如图4所示，自容检测模块中的控制开关SW1和SW2交替导通和截止。当开关SW1导通SW2截止时，此时测量左检测端口电容C_LEFT ，测得自容检测模块内的周期时长T内充放电次数为N_LEFT；当开关SW2导通SW1截止时，此时测量电容右检测端口电容C_RIGHT ，测得自容检测模块内的周期时长T内充放电次数为N_RIGHT 。

阶段2：自容检测模块连接上下检测端口，同理，测量上检测端口电容C_UP时测得自容检测模块内的周期时长T内充放电次数为N_UP ；测量下检测端口电容C_DOWN时测得自容检测模块内的周期时长T内充放电次数为N_DOWN 。

处理器比较检测到的自容检测模块内的周期时长T内充放电次数N_LEFT、N_RIGHT、N_UP、N_DOWN，当检测到周期时长T内充放电次数的值的变化超过阈值，则记录该值，并计算周期时长T内充放电次数变化量ΔN_LEFT、ΔN_RIGHT、ΔN_UP、ΔN_DOWN，其中ΔN_LEFT和ΔN_RIGHT与触控点在触控电极阵列左右方向的位置有关，ΔN_UP和ΔN_DOWN与触控点在触控感应电极阵列上下方向的位置有关，通过查询周期时长T内充放电次数变化量和位置坐标关系表可判断触碰位置，并记录触碰手势轨迹。

上述检测阶段1用于测量触控点在左右方向的位置，检测阶段2用于测量触控点在上下方向的位置。下面以检测阶段1测量左右方向为例，说明处理器的判断原理。

如图4所示可以看到自容检测模块的工作原理：SW3导通，SW4截止，电流源I1给检测端口电容充电。当电容电压达到基准电压V_H时，SW3截止，SW4导通，电流源I2给检测端口电容放电。当电容端口电压达到基准电压V_L时，SW3导通，SW4截止，重复上述充放电过程。在一定时间T内，充放电的次数N反应电容的大小。从而实现电容的检测。

当处于自容检测模块中SW1导通，SW2截止时，设置自容检测模块的充电和放电电流源大小为I，左检测端口上的电容为C_LEFT，则每次充放电时间为

t=2*C_LEFT*(V_H-V_L)/I

在一定周期（周期时长T）内，测得自容检测模块的充放电的次数（即计数器的计数）为

N_LEFT=T/t=T*I/(2*C_LEFT*(V_H-V_L)) -----公式1

设系数A= T*I/(2V_H-2V_L)，可知A为常量。则

N_LEFT =A/ C_LEFT；

设左检测端口上的电容变化为ΔC_LEFT，充放电的次数的变化为ΔN_LEFT

ΔN_LEFT =A/ΔC_LEFT； -----公式2

设右检测端口上的电容变化为ΔC_RIGHT，充放电的次数的变化为ΔN_RIGHT，同理可得

ΔN_RIGHT =A/ΔC_RIGHT； -----公式3 。

当只考虑触控感应电极阵列的左右方向上的分布电容时，触控感应电极阵列可以简化为图5所示结构，设触控物（例如人手）与左上和左下两块感应电极（面积2S）的电容为C_L，触控物（例如人手）与右上和右下两块感应电极（面积2S）的电容为C_R，从左到右，三个电阻值分别为R/2,R,R/2。进一步化简该电路图如图6所示。

左检测端口上测得的电容C_LEFT为两个并联的电路的电容，根据并联电容电路特性可得

C_LEFT=C_{左并联电路}+ C_{右并联电路}。

对于自容检测模块，参考公式1的推导，当有待检测电容接入时，在一定周期（周期时长T）内，测得自容检测模块的充放电的次数（即计数器的计数）为N=T/t=T*I/(2*C*(V_H-V_L))

假设待检测电容为左触控感应电极C_L时，见示意图7，即C_L不连接电阻直接接入自容检测模块，则测得自容检测模块的充放电的次数N_L为

N_L=T/t=T*I/(2*C_L*(V_H-V_L))

假设待检测电容为左并联电路C_{左并联电路}时，见示意图8，即C_L连接电阻后接入自容检测模块，则测得自容检测模块的充放电的次数N_{左并联电路}为

N_{左并联电路}=T/t=T*I/(2*C_{左并联电路}*(V_H-V_L))

由于两次检测时自容检测模块的充放电量相等，可知

C_{左并联电路}*(V_H-V_L)= C_L*(V_H-V_L-2*I*(R/2))

故N_{左并联电路}= T*I/(2*C_L*(V_H-V_L-I*R))

N_L /N_{左并联电路}=(V_H-V_L-I*R) /(V_H-V_L)

C_{左并联电路}/C_L =(V_H-V_L-I*R) /(V_H-V_L)=1-I*R/(V_H-V_L)。

设γ1= I*R/ (V_H-V_L)，

C_{左并联电路}=（1-γ1）*C_L

在实际应用中可调节电阻R的大小，使γ1的值为0.05左右。此时，同理得出

设γ2= 3*I*R/ (V_H-V_L)，

C_{右并联电路}=（1-γ2）*C_R

在实际应用中可使γ2的值为0.15左右

C_LEFT=（1-γ1）*C_L +（1-γ2）*C_R ---公式4

同理可得右检测端口上测得的电容

C_RIGHT=（1-γ2）*C_L +（1-γ1）*C_R ---公式5。

当人手等触控物悬浮于触控感应电极阵列平面上方，且在触控感应电极的感应范围内沿阵列平面的平行平面运动时，在左右方向上的位置可分为3种情况，如图9所示。

第1种情况是触控物位于左触控电极（包括左上和左下两块触控电极）中心的左侧范围时，此时如果触控物向左移动，则触控物与左触控感应电极的相对面积和与右触控感应电极的相对面积同时减少，所以触控物与左触控感应电极形成的分布电容变化量ΔC_L和与右触控感应电极形成的分布电容变化量ΔC_R同时减少；此时如果触控物向右移动，则ΔC_L和ΔC_R同时增加。由此可知电容变化量ΔC_L和ΔC_R同时增加或减少。

而且由于触控物与左触控感应电极的相对面积较大，故ΔC_L>ΔC_R 。触控物越接近左触控电极中心点，ΔC_L和ΔC_R的值越大，触控物越远离左触控电极中心点，ΔC_L和ΔC_R的值越小。

结合公式4和公式5，推导可知，触控物位于左触控电极中心的左侧范围时，左检测端口电容变化ΔC_LEFT和右检测端口电容变化ΔC_RIGHT同时增加或缩小，且左检测端口电容ΔC_LEFT大于右检测端口电容ΔC_RIGHT。由ΔC_LEFT和ΔC_RIGHT的值可知触控物与左触控电极中心点的距离，由此可知触控点在左右方向的位置。

第2种情况是触控物位于左触控电极（包括左上和左下两块触控电极）中心与右触控电极（包括右上和右下两块触控电极）中心之间的范围时，此时如果触控物向左移动，则触控物与左触控感应电极的相对面积增加，触控物与左触控感应电极形成的分布电容变化量ΔC_L增大，而同时与右触控感应电极的相对面积减少，所以触控物与右触控感应电极形成的分布电容变化量ΔC_R减少；此时如果触控物向右移动，则ΔC_L减少和同时ΔC_R增大。由此可知电容变化量ΔC_L和ΔC_R不同时增加或同时减小，或者说ΔC_L和ΔC_R必然一个增加一个减小。

在此范围内，触控物越接近左触控电极中心点，ΔC_L的值越大，ΔC_R的值越小，触控物越接近右触控电极中心点，ΔC_R的值越大，ΔC_L的值越小。

结合公式4和公式5，推导可知，触控物位于左触控电极中心与右触控电极中心之间的范围时，左检测端口电容变化ΔC_LEFT和右检测端口电容变化ΔC_RIGHT增加和减少恰好相反。由ΔC_LEFT和ΔC_RIGHT的值可知触控点在左右方向的位置。

第3种情况是触控物位于右触控电极（包括右上和右下两块触控电极）中心的右侧范围时，此种情况与第1种情况类似，同理可知，触控物位于右触控电极中心的右侧范围时，左检测端口电容变化量ΔC_LEFT和右检测端口电容变化量ΔC_RIGHT同时增加或减少，且右检测端口电容变化量ΔC_RIGHT大于左检测端口电容变化量ΔC_LEFT。由ΔC_LEFT和ΔC_RIGHT的值可知触控物与右触控电极中心点的距离，由此可知触控点在左右方向的位置。

综上所述，结合公式3和公式4，处理器的判断左右方向上的触控位置的具体方案为：首先，判断ΔN_LEFT、ΔN_RIGHT是否同时增加或减少，如果不同，则可以确定触控位置为第2种情况，即触控物位于左触控电极中心与右触控电极中心之间的范围；如果ΔN_LEFT、ΔN_RIGHT的同时增加或减少，则继续比较ΔN_LEFT和ΔN_RIGHT的大小，如果ΔN_LEFT<Δ_NRIGHT，则确定触控位置为第1种情况，即触控物位于左触控电极中心的左侧范围；如果ΔN_LEFT>ΔN_RIGHT，则确定触控位置为第3种情况，即触控物位于右触控电极中心的右侧范围；

然后，根据3种不同情况，去查询预先记录的ΔN_LEFT、ΔN_RIGHT与触控位置的对应关系记录，查询记录后即可得触控位置。

在本方案中，处理器记录不同时刻的触控位置，即可获得触控轨迹，包括手势。

下面说明此方案对比常用检测方案的优势。

在一般电容感应检测方案中，通常在上下左右四个方向分别设置面积为S的独立工作的触控感应电极，自容检测模块和待测电容直接相连，自容检测模块检测到的是面积为S触控感应电极的电容。

而本方案中，根据公式4和公式5可知，同过设置R的值，可以得到合适的衰减系数γ，例如C_L衰减系数γ1为5%，C_R衰减系数γ2约为15%时

C_LEFT=（1-γ1）*C_L +（1-γ2）*C_R≈ 1.8* C_L。

而C_L的面积是独立工作的触控感应电极的面积的2倍，可知，此方案整个触控感应电极阵列在不同方向上的电容感应量，对比4个独立的感应电极，提高了约3.6倍。极大提升了感应范围和感应准确度。

本发明的以上实施例提供了一种电容感应型输入检测装置。本发明的以上实施例中的电容感应型输入检测装置通过检测和计算触控感应电极矩阵不同方向上的分布电容的变化来检测触摸物是否靠近使用该装置的用电器以及计算出触摸物在用电器前移动的轨迹。在降低触控感应电极排列密度和复杂程度、减少检测装置用料和工艺成本的同时，具有检测距离远、检测灵敏度高和检测精度高的优点，能够被广泛地应用于电器，尤其是家用电器的人机交互领域。

除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，各权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电容感应型输入检测装置，其特征在于，包括：

触控感应电极阵列，由4个触控感应电极和分别与之连接的8个电阻组成，并设置4个检测端口；

自容检测模块，连接所述触控感应电极阵列的检测端口，用于检测触控感应电极阵列上不同检测端口的分布电容；

处理器，配置为：计算触控感应电极阵列每个检测端口上的分布电容变化量及电容变化量的增减趋势，且根据相反方向两个检测端口的分布电容变化量及增减趋势，判断大致触控区域，然后查询预存的分布电容变化量与触控位置对应关系数据表得到具体触控位置，并以此为依据判断触控运动轨迹，包括手势方向。

2.如权利要求1所述的电容感应型输入检测装置，其特征在于，所述触控感应电极阵列中有4个触控感应电极平铺在同一平面（该平面的4个方向分别命名为“上”、“下”、“左”和“右”方向），4个触控感应电极分别位于感应矩阵平面的左上、左下、右上和右下，每个触控感应电极在感应矩阵外边界方向分别连接电阻，相邻的两个触控感应电极相同方向的电阻的另一端连接在一起，设置为检测端口（分别命名为上、下、左和右检测端口）。

3.如权利要求1所述的电容感应型输入检测装置，其特征在于，所述自容检测模块周期性交替连接触控感应电极阵列的上、下、左和右检测端口，并分别测得各检测端口的分布电容。

4.如权利要求1所述的电容感应型输入检测装置，其特征在于，所述处理器配置为当所述触控感应电极阵列在不同方向检测端口上的分布电容增量大于对应的阈值时，判断有触摸物接近，且开始根据触控感应电极阵列的不同检测端口的分布电容变化量及增减趋势计算触控位置。

5.如权利要求1所述的电容感应型输入检测装置，其特征在于，所述处理器还配置为按照如下方式计算触控位置：

根据所述触控感应电极矩阵中左检测端口和右检测端口分布电容变化量及增减趋势，计算在左右方向的触控位置；

以及根据所述触控感应电极矩阵中上检测端口和下检测端口分布电容变化量及增减趋势，计算在上下方向的触控位置。

6.如权利要求1所述的电容感应型输入检测装置，其特征在于，所述处理器还配置为根据多个时刻的触控位置判断触控运动轨迹，包括手势方向。

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