CN201302712Y - 电容式触摸检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电容式触摸检测装置，包含感应电极的LC探测回路与触摸检测电路连接；所述触摸检测电路包括振荡控制电路、频率检测电路、内阻检测电路和信号处理电路；感应电极与感性元件组合成LC探测回路接入振荡控制电路；触摸检测电路通过检测LC探测回路的谐振频率和内阻来探测感应电极对人体接近或触摸的反应。本实用新型装置具有良好的抗水覆盖和抗电磁干扰的能力，可以在复杂苛刻的环境下可靠地探测触摸动作。

Description

电容式触摸检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种人体接近探测装置，尤其是涉及基于电容检测原理的触摸探测装置。

背景技术

近年来，电容式触摸探测技术已经得到广泛应用。采用这项技术的产品以其更长寿命、更美观的结构和更舒适的操作方式得到了市场的认同，也代表着现代产品在人机交互方面的发展方向。

参见图1，电容式触摸探测技术的微观原理是：人体组织中含有大量的电解液(淋巴液、血液等)，当人手靠近感应电极时，改变了原有电场的分布，从而改变了等效的分布电容参数。

参见图2，目前的电容式触摸探测技术方案，都是通过检测感应电极上等效电容的电容量Cs随着接近物体的特性和接近程度而发生的变化来判断触摸动作。但是，单纯靠检测电容容值的变化，使得现有的电容式触摸检测技术和产品面临的普遍问题是抗干扰性能不够好。首先，在存在水覆盖情况下识别手触摸，因为水和手(人体)都是容易被极化的物质，其实际表现出来的效果(检测到的数值)是相似的，也就是无法可靠地区分手按键和水覆盖。另一方面，在某些产品(如电磁炉)中，电磁干扰相当严重：大功率线圈辐射出来的能量容易耦合到触摸检测的电极和其它检测回路上面，干扰到采样数据，导致无法准确识别出触摸按键动作。尤其是在面板上面还有水覆盖时，由于水具有一定的导电能力，将使干扰信号引入触摸检测电路，表现出的干扰现象尤其明显。此外，温度与湿度变化到一定程度的时候，电容参数会产生较大的变化。如何适应这些环境引起的不确定性，是现有电容式触摸检测技术尚未解决好的问题。

可见，如果要求电容式触摸检测装置适应高温、高湿、水覆盖、和强电磁辐射环境，可靠地应用到家电和工业产品领域中，就有必要提出新的技术方案。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是设计一种可以在比较恶劣的环境下可靠工作的电容式触摸检测装置。

本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案是，设计一种电容式触摸检测装置，包括：LC探测回路、振荡控制电路和信号处理电路；其特征在于：所述LC探测回路由感应电极与感性元件以串联或并联模式组合而成；所述LC探测回路连接到振荡控制电路。

所述信号处理电路通过频率检测电路和内阻检测电路连接到振荡控制电路。频率检测电路先将与感应电极等效电容Cs相关的频率信号整形为脉冲信号，然后通过计数或计时的方法转换为对频率或者周期的检测。内阻检测电路在所述LC振荡模块中采样，通过整形滤波，获取代表振荡回路内阻的模拟值，以间接的方式检测LC探测回路的内阻变化。

对于触摸检测功能而言，上述的频率和内阻检测结果的相对变化才是真正有意义的。因此，所述的频率检测电路和内阻检测电路的实质作用是其输出量能够反映出LC探测回路信号频率以及回路内阻的变化量或变化的比例。试验表明，通过对频率和内阻这两个参数的采集处理，可以区分水覆盖和人体触摸的情况，从而解决了已有触摸检测技术抗水覆盖差的难题。

让所述振荡控制电路与所述LC探测回路组合构成自激谐振式振荡电路。谐振信号的频率和幅度可以反映出LC探测回路的物理特性，在人体接近和触摸感应电极时将发生改变。在谐振情况下，LC探测回路内部的信号电压或信号电流达到最大幅度，外来的电磁干扰对探测信号的影响被相对压缩，因此具有良好的抗干扰能力。

作为自激振荡方式的一种特例，应当考虑非平稳的阻尼振荡方式。阻尼振荡是LC探测回路在激发后自由振荡情况下，由其中的电阻损耗造成衰减振荡。LC探测回路的电阻越大，损耗就越大，振荡信号的衰减越快。通过适当的控制电路也可以利用这个特性检测内阻的变化。

所述LC探测回路中的感性元件通常为一电感器或等效电路模块；在有些应用中，此感性元件采用晶体，可以明显提高检测灵敏度。

为了把单点的电容式触摸检测装置扩展成为多点电容式触摸检测装置，所述感应电极为由多个感应电极单元所组成的感应电极组，该感应电极组经由多路选择模拟开关接入触摸检测电路中的振荡控制电路。通常所述模拟开关受MCU微处理器控制。

需要特别说明的是，整个触摸检测电路的各个部分电路都可以是独立的电路模块或组合制成专用的集成电路芯片。所述的信号处理电路还可以是集成在微处理器MCU或信号处理器DSP中的单元电路。当前的集成电路技术还允许将触摸检测电路、多路选择模拟开关和MCU的部分或全部集成在一起。

同现有技术相比较，本实用新型的电容式触摸检测装置具有如下优点：由于将采集触摸信号的感应电极置于LC探测回路，令LC探测回路工作在自有谐振频点，较高的谐振电压或电流提高了探测信号的信噪比，最大程度地抑制外来的耦合干扰，从而大大地增强了抗电磁干扰能力；通过对频率和内阻这两个参数的采集处理，可以区分水覆盖和人体触摸的情况，从而解决了已有触摸检测技术抗水覆盖差的难题。因此，本实用新型装置可以在比较恶劣的环境下，特别是在水覆盖、电磁干扰和高温高湿条件下可靠工作。

附图说明

图1是触摸检测基本原理示意图；

图2是现有触摸检测技术原理框图；

图3是本实用新型实施例的总体原理框图；

图4是本实用新型采用串联式LC探测回路实施例的原理框图；

图5是本实用新型采用并联式LC探测回路实施例的原理框图；

图6是本实用新型一个具体实施例的电子线路图；

图7是本实用新型一个具体实施例的信号处理流程图；

图8是扩展多通道探测的结构示意图。

上述附图的附图标记说明如下：

101：感应电极；102：感性元件  103：触摸检测电路  104：人体手指或其它类似物理特性客体；105：LC探测回路；106：多路选择模拟开关；1031：振荡控制电路；1032：频率检测电路；1033：内阻检测电路；1034：信号处理电路。

具体实施方式

以下结合附图及附图所示之最佳实施例对本实用新型作进一步的详述。

参见图3、图4、图5，电容式触摸检测装置，包括LC探测回路105和触摸检测电路103：所述LC探测回路105由感应电极101与感性元件102以串联或并联模式组合而成；所述触摸检测电路103包括振荡控制电路1031、频率检测电路1032、内阻检测电路1033和信号处理电路1034，所述LC探测回路105连接到所述振荡控制电路1031；所述信号处理电路1034通过所述频率检测电路1032和内阻检测电路1033连接到所述振荡控制电路1031。

本实用新型的一个实施例的原理框图如图4所示：感应电极101与感性元件102串联构成LC探测回路；此感应电极随着人体或其它类似物理特性的物体104的接近程度改变其等效电容与等效电阻，从而引起LC探测回路的固有频率和内阻参数发生变化；所述LC探测回路连接到触摸检测电路103，此触摸检测电路包括：振荡控制电路、频率检测电路、内阻检测电路和信号处理电路。

参见图6，这是一个实际的实施例电路。自激振荡电路由围绕集成电路MAX907_A的偏置元件加上电感L和感应电极KEY构成；触摸检测电路通过R4对振荡电路进行参数采样；图中的含集成电路MAX907_B的这个分支电路对振荡信号进行整形成为脉冲信号以便于后续信号处理电路对信号的频率做出检测；图中的包含集成电路IC2的这个分支对信号进行整流、积分滤波和适当放大，得到反映信号幅度的模拟电平，送给后续的信号处理电路的进行对模拟量的转换和检测。S1～S3是集成模拟开关，用于完成积分控制和放电任务。用于同相积分，在这里也可以用简单的滤波替代，或在信号处理软件中使用软件累加积分。图中的MCU表示为一个带一定信号处理功能的微处理器，可以在内部完成频率检测和模拟量检测。由于这个模拟量实际上对应的是由LC探测回路内阻决定的振荡电路的信号幅度，因此对于此模拟量的检测结果也就反映了LC探测回路内阻。

当人体接近感应电极时，感应电极KEY的等效电容增大，LC探测回路谐振频率变低，振荡信号周期变长。此时，微处理器MCU检测到经整形和分频后的信号周期变大。另一方面，高频率下人体接近感应电极时，LC探测回路等效电阻R变小，也就是振荡信号幅度变大，经内阻检测电路采样积分后的信号提供给微处理器MCU做A/D转换，可以获取这个变化。对照基准值，综合分析这两个参数，就可以准确识别人的触摸按键动作。

与人体接近感应电极时的情况不同，当水覆盖到按键上面时，感应电极的等效电容Cs虽然也同样增大，振荡频率降低，但是振荡回路内阻变大。因此，根据这个特点就可以区分水覆盖和人体触摸按键。

在本实施例电路中的感应电极和电感之间的部位，串联谐振信号可以达到约40Vpp的幅度。此时，如果外界电磁干扰信号耦合到感应电极上，干扰信号与如此大幅度的有效信号相比通常很小，此处的采样信号仍可以得到很高的信噪比。所以，水覆盖和电磁干扰基本上不会影响对触摸检测数据的分析和判断。

图7是本实施例MCU信号处理的软件流程图。以一定的采样率对表征内阻检测的模拟量采样后，通过软件积分和滤波进一步减少干扰，计算获取当前内阻值R。通过MCU内部计数器对表征频率检测的脉冲信号进行计数和计算，获得当前频率值F。在一定时间范围内，将检测结果与参照基准进行比较，如果发现变化超过阈值，且多个参数符合预设的变化规律时，即可确认为触摸按键的动作发生了，进而通过MCU向外输出对于触摸按键的响应信号。

对以上流程补充说明：积分时间(软件中为离散点采样数量)可以根据需要选取；触摸按键的阈值由不同的积分和A/D转换后的基数来确定。检测内阻与频率的先后次序并不重要。

图8给出了通过增加多路选择模拟开关切换的方法，把单点电容式触摸检测装置扩展成多点电容式触摸检测装置，图中的多路选择模拟开关由MCU控制，分时检测对应各个触摸感应电极的待测参数。

本实用新型的电容式触摸检测装置的电容式触摸检检测方法包括如下步骤：

i、所述振荡控制电路1031让所述LC探测回路105实现谐振；

ii、所述频率检测电路1032将LC探测回路105的谐振频率F作为表征所述感应电极101等效电容Cs的数字量送到所述信号处理电路1034；所述内阻检测电路1033将LC探测回路105的谐振信号幅度作为表征所述回路内阻R的模拟电平量送到所述信号处理电路1034；

iii、所述信号处理电路1034获取LC探测回路105的当前频率F和内阻R后，与原设定的基准阈值进行比较，对当前触摸状态做出分析判断，并适当更新基准。

Claims (5)

1、一种电容式触摸检测装置，包括LC探测回路(105)和触摸检测电路(103)，其特征在于：

所述LC探测回路(105)由感应电极(101)与感性元件(102)以串联或并联模式组合而成；

所述触摸检测电路(103)包括振荡控制电路(1031)和信号处理电路(1034)，所述LC探测回路(105)连接到所述振荡控制电路(1031)。

2、根据权利要求1所述的电容式触摸检测装置，其特征在于：所述触摸检测电路(103)还包括频率检测电路(1032)和内阻检测电路(1033)，所述信号处理电路(1034)通过所述频率检测电路(1032)和内阻检测电路(1033)连接到所述振荡控制电路(1031)。

3、根据权利要求2所述的电容式触摸检测装置，其特征在于：所述振荡控制电路(1031)与所述LC探测回路(105)组合构成自激谐振式振荡电路。

4、根据权利要求3所述的电容式触摸检测装置，其特征在于：所述感性元件(102)是晶体元件。

5、根据权利要求1至4任一权利要求所述的电容式触摸检测装置，其特征在于：由多个所述感应电极(101)组成感应电极组，该感应电极组经由多路选择模拟开关(106)接入所述触摸检测电路(103)中的振荡控制电路(1031)。

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