实验材料

• Arduino Uno控制板一片
• 电阻：1MΩ×3、680Ω×2
• LED×2（颜色不拘）
• （没有塑料皮的）回形针×3
• 公对母连接线×3
• 铝箔纸：裁剪3枚（笔者剪裁的大小是15mm×12mm）

实验电路与面包板组装示范

本单元的实验电路如下，全部的1MΩ电阻的一端都连接到同一个数位脚（此处为第4脚，可改用其他脚位），电阻的另一端连接到不同的数位脚，以及充当「触控感测端」的铝箔纸，你可以尝试其他导体，像铜箔或香蕉番石榴之类的东东。

使用面包板组装电路的示范如下，用回形针固定电阻的一端和铝箔纸：

笔者把触控电路焊接在PCB板，铝箔纸用白胶黏贴：

电容触控与RC电路的原理

本实验程序将在电阻的一端（数位第4脚）发送脉冲信号，在没有人体碰触感测界面情况下，该脉冲信号几乎原封不动地传送到电阻的另一端：

当手指靠近感测端时，手指和感测端的导体（铝箔）之间会形成电容，相当于电阻的另一端接了一个电容器：

电容的基本结构像下图一样，用两片导体、中间以绝缘介质（如：空气、云母、陶瓷…）隔离。当两端导体通电时，导体就会聚集正、负电荷，形成「电的容器」。

左下图是用电阻（R）和电容（C）组成的基本RC电路。对电容通电时，电容将开始储存电荷，直到注满到电压的相同准位；断电时，电容会开始放电，直到降到0（亦即，「接地」的准位）。

在充电过程中，电流与电容电压的变化量受到电阻与电容值影响。电阻R与电容值C的乘积称为时间常数（time constant），写成希腊字母τ（念作“tau”），有时也直接用英文字母t代表：

τ= RC

电容充电到约70%（实际为63.2%）仅需花费一个时间常数，充到饱和（约99.3%）需要5个时间常数；电阻或电容值愈大，充电所需时间也愈长。电容放电时，在一个时间常数之后，约剩下40%（实际为36.8%）。

因此，向电阻的一端输入脉冲信号，当手指接触电阻另一端时，输出脉冲的高、低电位时间将被「延后」。程序透过比对输入和输出的脉冲时间，就能得知是否有人碰触到感应器（铝箔）。

感测端的电容量，与手指和感应器的距离成反比。本单元程序采用Paul Stoffregen撰写的Captivative Sensor程序库，此程式库的说明页指出，电路中的电阻值可介于100KΩ～50MΩ，阻值越大越灵敏但反应变迟钝：

• 若要侦测手指是否碰触到感测面，请使用1MΩ
• 若要偵測4~6吋（註：1吋=2.54公分）的距離，請使用10MΩ。
• 若要侦测12~24寸的距离（视感测面的金属片尺寸而定），请使用40MΩ。市面所能买到的最大电阻值为10MΩ，请自行串连4个电阻。

说明页也提到，在感测端加上一个100pF的电容（标示为101），可增加检测的稳定性。

触控开关实验程序

下载CaptivativeSensor程序库、解压缩之后，笔者将它重新命名成“CaptivativeSensor”，存入Arduino的libraries文件夹：

开启Arduino IDE，选择「档案→示例→CapacitiveSensor→CapacitiveSensorScketch」，开启程序库提供的示例程序。此示例程序的感测脉冲信号发射脚是4，接收脚是2，6和8，请将它们改成5，6，7：

其余代码不用改。编译并上传到Arduino控制板之后，开启序列端口监控视窗，这是尚未碰触任何感应界面的输出：

碰触感应界面的结果：

CapacitiveSensor程序库的方法

CapacitiveSensor程序库包含3个主要方法以及一些工具方法：

CapacitiveSensor CapacitiveSensor（byte脉冲发射脚，byte感测脚）

CapacitiveSensor用于建立程序库的物件实体（请留意大小写）。

long capacitiveSensorRaw（byte取样数）

capacitiveSensorRaw将传回长整数类型的原始电容值，「取样数」参数可用于增加传回值的分辨率，其代价是处理性能降低。传回的电容值并非取样数的平均，也不包含总电容量数。

capacitiveSensorRaw将传回-2，若电容值超过CS_Timeout_Millis（侦测超时）定义的毫秒值。CS_Timeout_Millis预设为2000毫秒（2秒）。

long capacitiveSensor（byte取样数）

capacitiveSensor将传回长整数类型的感应电容值，capacitiveSensor会纪录未感测到碰触时的最低电容值，并且用碰触时的电容量与之相减。

最低容量值每隔一段时间（由CS_Autocal_Millis定义）重新校正一次，预设校正间隔时间是200000毫秒（20秒）。此重新校正机制可透过设定一个很大的数值（0xFFFFFFFF）给CS_Autocal_Millis来关闭。

void set_CS_Timeout_Millis（unsigned long超时毫秒数）

set_CS_Timeout_Millis方法用于设定CS_Timeout_Millis的值，来设定等待感测端信号跟着发射端高、低变化的超时毫秒值。在等待感应脉冲变化之间，程序会暂停运作，所以必须设定超时，预设为2000毫秒（2秒）。

void reset_CS_AutoCal（）

立即校正capacitiveSensor函式的电容值

void set_CS_AutocaL_Millis（unsigned long自定义校正的毫秒数）

设定capacitiveSensor函式超时间隔。给定”0xFFFFFFFF”数值可关闭自动校正功能。

触控LED开关

底下的程序将能在感测到使用者碰触时点亮LED，笔者设定的电容临界值是1500，请依照你的测试结果调整此值。

#include <CapacitiveSensor.h>

#define threshold 1500  // 感測電容量的臨界值
#define LED1 11         // LED1的腳位
#define LED2 12         // LED2的腳位
#define LED3 13         // LED3的腳位

// 設定電容觸控的訊號輸入和輸出腳位
CapacitiveSensor   cs_4_5 = CapacitiveSensor(4,5);
CapacitiveSensor   cs_4_6 = CapacitiveSensor(4,6);
CapacitiveSensor   cs_4_7 = CapacitiveSensor(4,7);

void setup() {
  pinMode(LED1, OUTPUT);
  pinMode(LED2, OUTPUT);
  pinMode(LED3, OUTPUT);
}

void loop() {
    long total1 =  cs_4_5.capacitiveSensor(30);
    long total2 =  cs_4_6.capacitiveSensor(30);
    long total3 =  cs_4_7.capacitiveSensor(30);

    // 若第一個觸控點的電容量大於臨界值，則點亮LED。
    if (total1 > threshold) {
      digitalWrite(LED1, HIGH);
    } else {
      digitalWrite(LED1, LOW);
    }

    if (total2 > threshold) {
      digitalWrite(LED2, HIGH);
    } else {
      digitalWrite(LED2, LOW);
    }

    if (total3 > threshold) {
      digitalWrite(LED3, HIGH);
    } else {
      digitalWrite(LED3, LOW);
    }
}

标签： arduino编程level3开关led