實驗電路與麵包板組裝示範

本單元的實驗電路如下，全部的1MΩ電阻的一端都連接到同一個數位腳（此處為第4腳，可改用其他腳位），電阻的另一端連接到不同的數位腳，以及充當「觸控感測端」的鋁箔紙，你可以嘗試其他導體，像銅箔或香蕉番石榴之類的東東。

使用麵包板組裝電路的示範如下，用回形針固定電阻的一端和鋁箔紙：

筆者把觸控電路焊接在PCB板，鋁箔紙用白膠黏貼：

電容觸控與RC電路的原理

本實驗程序將在電阻的一端（數位第4腳）發送脈衝信號，在沒有人體碰觸感測界面情況下，該脈衝信號幾乎原封不動地傳送到電阻的另一端：

當手指靠近感測端時，手指和感測端的導體（鋁箔）之間會形成電容，相當於電阻的另一端接了一個電容器：

電容的基本結構像下圖一樣，用兩片導體、中間以絕緣介質（如：空氣、雲母、陶瓷…）隔離。當兩端導體通電時，導體就會聚集正、負電荷，形成「電的容器」。

左下圖是用電阻（R）和電容（C）組成的基本RC電路。對電容通電時，電容將開始儲存電荷，直到注滿到電壓的相同准位；斷電時，電容會開始放電，直到降到0（亦即，「接地」的准位）。

在充電過程中，電流與電容電壓的變化量受到電阻與電容值影響。電阻R與電容值C的乘積稱為時間常數（time constant），寫成希臘字母τ（念作「tau」），有時也直接用英文字母t代表：

τ= RC

電容充電到約70%（實際為63.2%）僅需花費一個時間常數，充到飽和（約99.3%）需要5個時間常數；電阻或電容值愈大，充電所需時間也愈長。電容放電時，在一個時間常數之後，約剩下40%（實際為36.8%）。

因此，向電阻的一端輸入脈衝信號，當手指接觸電阻另一端時，輸出脈衝的高、低電位時間將被「延後」。程序透過比對輸入和輸出的脈衝時間，就能得知是否有人碰觸到感應器（鋁箔）。

感測端的電容量，與手指和感應器的距離成反比。本單元程序採用Paul Stoffregen撰寫的Captivative Sensor程序庫，此程式庫的說明頁指出，電路中的電阻值可介於100KΩ～50MΩ，阻值越大越靈敏但反應變遲鈍：

若要偵測手指是否碰觸到感測面，請使用1MΩ
若要偵測4~6吋（註：1吋=2.54公分）的距離，請使用10MΩ。
若要偵測12~24寸的距離（視感測面的金屬片尺寸而定），請使用40MΩ。市面所能買到的最大電阻值為10MΩ，請自行串連4個電阻。

說明頁也提到，在感測端加上一個100pF的電容（標示為101），可增加檢測的穩定性。

觸控開關實驗程序

下載CaptivativeSensor程序庫、解壓縮之後，筆者將它重新命名成「CaptivativeSensor」，存入Arduino的libraries文件夾：

開啟Arduino IDE，選擇「檔案→示例→CapacitiveSensor→CapacitiveSensorScketch」，開啟程序庫提供的示例程序。此示例程序的感測脈衝信號發射腳是4，接收腳是2，6和8，請將它們改成5，6，7：

其餘代碼不用改。編譯並上傳到Arduino控制板之後，開啟序列埠監控視窗，這是尚未碰觸任何感應界面的輸出：

碰觸感應界面的結果：

CapacitiveSensor程序庫的方法

CapacitiveSensor程序庫包含3個主要方法以及一些工具方法：

CapacitiveSensor CapacitiveSensor（byte脈衝發射腳，byte感測腳）

CapacitiveSensor用於建立程序庫的物件實體（請留意大小寫）。

long capacitiveSensorRaw（byte取樣數）

capacitiveSensorRaw將傳回長整數類型的原始電容值，「取樣數」參數可用於增加傳回值的解析度，其代價是處理性能降低。傳回的電容值並非取樣數的平均，也不包含總電容量數。

capacitiveSensorRaw將傳回-2，若電容值超過CS_Timeout_Millis（偵測超時）定義的毫秒值。CS_Timeout_Millis預設為2000毫秒（2秒）。

long capacitiveSensor（byte取樣數）

capacitiveSensor將傳回長整數類型的感應電容值，capacitiveSensor會紀錄未感測到碰觸時的最低電容值，並且用碰觸時的電容量與之相減。

最低容量值每隔一段時間（由CS_Autocal_Millis定義）重新校正一次，預設校正間隔時間是200000毫秒（20秒）。此重新校正機制可透過設定一個很大的數值（0xFFFFFFFF）給CS_Autocal_Millis來關閉。

void set_CS_Timeout_Millis（unsigned long超時毫秒數）

set_CS_Timeout_Millis方法用於設定CS_Timeout_Millis的值，來設定等待感測端信號跟著發射端高、低變化的超時毫秒值。在等待感應脈衝變化之間，程序會暫停運作，所以必須設定超時，預設為2000毫秒（2秒）。

void reset_CS_AutoCal（）

立即校正capacitiveSensor函式的電容值

void set_CS_AutocaL_Millis（unsigned long自定義校正的毫秒數）

設定capacitiveSensor函式超時間隔。給定」0xFFFFFFFF」數值可關閉自動校正功能。

觸控LED開關

底下的程序將能在感測到使用者碰觸時點亮LED，筆者設定的電容臨界值是1500，請依照你的測試結果調整此值。

#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);
}
}

電容式觸控開關實驗（一）：RC延時電路應用

實驗電路與麵包板組裝示範

電容觸控與RC電路的原理

觸控開關實驗程序

CapacitiveSensor程序庫的方法

觸控LED開關