触摸屏的物理原理

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触摸屏的发明大大方便了我们对一些电器的使用，其实触摸屏的原理用所学的初中物理串联电阻分压的知识就可以简单的解释。

例(2011年大同杯物理竞赛)电阻式触摸屏将矩形区域中触摸点(X，Y)的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。电阻式触摸屏有两层电阻，当未在触摸屏上施力时，两层电阻不接触。当有物体在触摸屏表面施以一定的压力时，上层电阻与下层电阻发生接触，该结构可以等效为如图1(a)所示的电路。此时在Y+、Y-之间加驱动电压，测量X+电压，如图1(b)所示。然后在X+、X-之间加驱动电压，测量Y+电压，如图1(c)所示。利用两次测得的电压值可获得接触点的坐标。

现在有一块长10厘米，宽6厘米的手机触摸屏，以其中心为原点建立坐标轴，则触点坐标X方向的范围是［-3厘米，3厘米］，Y方向的范围是［-5厘米，5厘米］。触摸屏的驱动电压为5伏。一位同学用笔按在屏上某点，当Y+电极施加驱动电压时，测得X+电极的电压为3。2伏；当X+电极施加驱动电压时，测得Y+电极的电压为1。5伏。请通过计算判断笔按在触摸屏上位置的坐标。

解析电阻式触摸屏是一种传感器，如图2所示，电阻式触摸屏基本上是薄膜加上玻璃的结构，薄膜和玻璃相邻的一面上均涂有ITO(纳米铟锡金属氧化物)涂层，ITO具有很好的导电性和透明性。当触摸操作时，薄膜下层的ITO会接触到玻璃上层的ITO，经由感应器传出相应的电信号，经过转换电路送到处理器，通过运算转化为屏幕上的X、Y值，而完成点选的动作，并呈现在屏幕上。

所有的电阻式触摸屏都采用分压器(串联电阻分压原理)来产生代表X坐标和Y坐标的电压。当触摸屏表面受到的压力(如通过笔尖或手指进行按压)足够大时，顶层与底层之间会接触。电阻性表面被分隔为两个串联的电阻。如图3所示。分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻(R1)连接驱动电压U，下面的电阻(R2)接地。根据串联电阻的特点，两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比，U测=UR2R1+R2。

如图2所示，为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置(加上驱动电压)，即将它的一边接UREF，另一边接地。同时，将未偏置(未加电压)的那一层连接到一个ADC的高阻抗(许多物理量都是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等, 模数转换器Analog to Digital Converter简称ADC，将模拟量转换成数字量进行检测、运算和控制。)输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比。

根据以上分析，当Y+电极施加驱动电压U时，X+电极的电压

U测x=3。2 V=UR2R1+R2；

因为触摸屏的电阻与距离成正比，所以若取R1为触摸屏中心到上边的距离R1=5，R2即为触点到Y-的距离，R1+R2即为触摸屏长10厘米，

R2=(R1+R2)U测xU=10×3。25

=6。4 cm，

所以Y坐标为

6。4 cm-5 cm=1。4 cm。

同理：当X+电极施加驱动电压时，测得Y+电极的电压

U测y=1。5 V=UR2R1+R2，

若取R1为触摸屏中心到右边的距离R1=3，R2即为触点到X-的距离，R1+R2即为触摸屏宽6厘米，

R2=(R1+R2)U测yU=6×1。55

=1。8 cm，

所以X坐标为

-3 cm+1。8 cm=-1。2 cm。

因此触点的坐标为(-1。2 cm，1。4 cm)。

综上所述，电阻式触摸屏是采用分压器(串联电阻分压原理)来产生代表X坐标和Y坐标的电压。当通过笔尖或手指进行按压触摸屏表面时，触摸屏的电阻性表面被分隔为两个串联的电阻，根据串联电阻的特点及触摸屏的电阻与触摸点到接地边之间的距离成正比，就可计算出触摸点的坐标。

【作者单位：(256214)山东省邹平县码头一中】