基于Arduino的数字电容式触摸传感器设计

一、数字电容式触摸传感器的定义

数字电容式触摸传感器，简称电容式触摸传感器，是一种通过检测物体（如手指）与传感器表面之间电容变化来实现触摸检测的传感器。它利用人体或其他导电物体接近或接触传感器表面时，引起传感器内部电场分布的变化，进而产生电容量的变化，通过测量这一变化量并将其转换为数字信号，实现对触摸的识别和响应。

二、数字电容式触摸传感器的工作原理

数字电容式触摸传感器的工作原理主要基于电容感应技术。电容是描述两个导体之间存储电荷能力的物理量，其大小与导体间的距离、面积以及电介质的介电常数有关。在电容式触摸传感器中，通常包含两层导电材料（如金属层）和一层绝缘材料（如玻璃或塑料），形成一个电容器结构。当没有触摸发生时，两层导电材料之间保持一定的距离和面积，形成稳定的电容值。当手指或其他导电物体接近或接触传感器表面时，会改变原有的电场分布，导致电容值发生变化。这一变化被传感器内部的电路检测并转换为电信号，经过放大、滤波、模数转换等处理后，最终输出为数字信号，供后续电路或微处理器进行识别和处理。

具体来说，电容式触摸传感器的工作原理可以分为以下几个步骤：

1. 电场建立 ：传感器在工作时，会在两层导电材料之间建立一个稳定的电场。这个电场是传感器检测触摸事件的基础。
2. 触摸检测 ：当手指或其他导电物体接近或接触传感器表面时，会引入一个新的电场源，与传感器原有的电场发生相互作用，导致电场分布发生变化。这种变化会引起传感器内部电容量的变化。
3. 信号转换 ：传感器内部的电路会检测到电容量的变化，并将其转换为电信号。这个电信号通常非常微弱，需要经过放大、滤波等处理才能被后续电路识别。
4. 模数转换 ：经过放大和滤波处理后的模拟信号会被转换为数字信号。这一步骤是通过模数转换器（ADC）实现的，它能够将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，便于微处理器进行处理。
5. 触摸识别 ：微处理器会根据接收到的数字信号进行触摸识别。它会对信号进行解析、比较和判断，以确定是否发生了触摸事件以及触摸的位置、面积等参数。
6. 响应处理 ：一旦识别到触摸事件，微处理器会根据预设的程序或指令进行相应的响应处理。例如，在智能手机上，触摸屏幕可能会触发屏幕显示内容的变化或执行特定的操作命令。

三、数字电容式触摸传感器的组成结构

数字电容式触摸传感器通常由以下几个部分组成：

1. 导电层 ：通常由金属薄膜制成，作为电容器的一个极板。导电层通常覆盖在绝缘材料的表面，形成传感器的触摸面。
2. 绝缘层 ：位于导电层之间，用于隔离两个导电层并防止它们之间发生短路。绝缘层通常由玻璃、塑料等非导电材料制成。
3. 感应层 ：与导电层相对的另一层导电材料，也作为电容器的一个极板。感应层通常位于绝缘层的下方，与导电层之间形成电容器结构。
4. 控制电路 ：包括放大电路、滤波电路、模数转换器等，用于检测电容量的变化并将其转换为数字信号。控制电路通常集成在传感器芯片内部或外部电路板上。
5. 微处理器 ：用于接收和处理控制电路输出的数字信号，进行触摸识别和响应处理。微处理器通常与传感器芯片或外部电路板相连。

四、数字电容式触摸传感器的应用

数字电容式触摸传感器因其高灵敏度、快速响应和低功耗等特性，在多个领域得到了广泛应用：

1. 智能手机和平板电脑 ：作为最主要的输入设备之一，电容式触摸屏为用户提供了直观、便捷的交互体验。用户可以通过触摸屏幕来浏览网页、观看视频、玩游戏等。
2. 智能家居 ：在智能家居系统中，电容式触摸传感器被广泛应用于各种智能设备中，如智能门锁、智能开关、智能照明等。用户可以通过触摸这些设备来实现对家居环境的控制和管理。
3. 工业自动化 ：在工业自动化领域，电容式触摸传感器被用于各种自动化设备和机器中，如触摸屏控制面板、机器人手臂等。它们为工人提供了更加安全、高效的操作方式。
4. 医疗设备 ：在医疗设备中，电容式触摸传感器也被广泛应用。例如，在心电图机中，电容式触摸传感器可以检测用户的皮肤电阻变化，从而获取心电信号。

五、基于Arduino的数字电容式触摸传感器设计

我们需要开关来控制电子或者电器什么的，有时候我们用湿手使用电器开关然后触摸来控制电器或者电子负载时，电器开关会有震动，比普通开关互动性强，可能有些项目需要触摸转变。这里以数字电容式触摸传感器arduino接口作为实验。

基于 TTP223B IC 的数字电容传感器价格非常实惠，触摸时响应良好，该传感器分线器可以轻松与任何类型的微控制器连接，并且仅包含三个外部接口端子。

数字电容式触摸传感器分线板

TTP223-IC

TTP223是1键触摸板检测IC，适合检测电容元件变化。它消耗的功率非常低，工作电压仅在2.0V至5.5V之间。快速模式下响应时间最大约 60mS，低功耗模式下 220mS VDD=3V。灵敏度可通过外部电容（0至50pF）调节。

Arduino 数字电容式触摸传感器接口

将传感器分线板的 Vcc 引脚连接到 Arduino 的 +5V 引脚，并将 Gnd 连接到 Gnd。将信号 (SIG) 引脚连接到 Arduino 数字引脚 D1 并上传以下代码，以便在触摸电容式传感器时获得响应。

用于板载LED和串行监视器观察的 Arduino 代码。

//Digital Capacitive Touch Sensor Arduino Interfacing 
#define sensorPin 1 // capactitive touch sensor - Arduino Digital pin D1 
int ledPin = 13; // Output display LED (on board LED) - Arduino Digital pin D13 
void setup() 
{ 
< strong >Serial< /strong >.begin(9600); 
pinMode(ledPin, OUTPUT); 
pinMode(sensorPin, INPUT); 
} 
void loop() 
{ 
int senseValue = digitalRead(sensorPin); 
if (senseValue == HIGH)
{  
digitalWrite(ledPin, HIGH); 
< strong >Serial< /strong >.println("TOUCHED"); 
} 
else
{ 
digitalWrite(ledPin,LOW); 
< strong >Serial< /strong >.println("not touched"); 
} 
 delay(500); 
 }

电容式触摸传感器开关 Arduino

该 arduino 连接控制与 5V DC继电器连接的负载（交流灯泡） ，继电器的信号引脚取自 Arduino 数字引脚 D13，电容式触摸传感器的其他接线与观察连接相同。

上传以下Arduino代码来控制（开/关）负载设备

//Digital Capacitive Touch Sensor Switch Arduino Interfacing 
#define sensorPin 1 // capactitive touch sensor - Arduino Digital pin D1 
int relayPin = 13; // Output RelayPin - Arduino Digital pin D13 
boolean currentState = LOW; 
boolean lastState = LOW; 
boolean RelayState = LOW;
 void setup() 
{ 
< strong >Serial< /strong >.begin(9600);
 pinMode(relayPin, OUTPUT); 
 pinMode(sensorPin, INPUT); 
} 
void loop()
 { 
currentState = digitalRead(sensorPin); 
if (currentState == HIGH && lastState == LOW)
{ 
 delay(1); 
 if (RelayState == HIGH)
{ 
digitalWrite(relayPin, LOW); 
 RelayState = LOW; 
 } 
else { 
digitalWrite(relayPin, HIGH); 
RelayState = HIGH; 
 } 
} 
lastState = currentState; 
}