電容式觸摸感應(yīng)按鍵技術(shù)原理及應(yīng)用

1、電容式觸摸感應(yīng)按鍵技術(shù)原理及應(yīng)用2010-05-2612:45:02|分類：鄴魚|標(biāo)簽：|字號(hào)大中小訂閱市場(chǎng)上的消費(fèi)電子產(chǎn)品已經(jīng)開始逐步采用觸摸感應(yīng)按鍵，以取代傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵。針對(duì)此趨勢(shì)，SiliconLabs公司推出了內(nèi)置微控制器（MCU功能的電容式觸摸感應(yīng)按鍵（CapacitiveTouchSense）方案。電容式觸摸感應(yīng)按鍵開關(guān)，內(nèi)部是一個(gè)以電容器為基礎(chǔ)的開關(guān)。以傳導(dǎo)性物體（例如手指）觸摸電容器可改變電容，此改變會(huì)被內(nèi)置于微控制器內(nèi)的電路所偵測(cè)。電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理SiliconLabs現(xiàn)提供一種可偵測(cè)因觸摸而改變的電容的方法電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理就是一個(gè)不斷地充電和放電

2、的張弛振蕩器。如果不觸摸開關(guān)，張弛振蕩器有一個(gè)固定的充電放電周期，頻率是可以測(cè)量的。如果我們用手指或者觸摸筆接觸開關(guān)，就會(huì)增加電容器的介電常數(shù)，充電放電周期就變長(zhǎng)，頻率就會(huì)相應(yīng)減少。所以，我們測(cè)量周期的變化，就可以偵測(cè)觸摸動(dòng)作。具體測(cè)量的方式有二種：（一）可以測(cè)量頻率，計(jì)算固定時(shí)間內(nèi)張弛振蕩器的周期數(shù)。如果在固定時(shí)間內(nèi)測(cè)到的周期數(shù)較原先校準(zhǔn)的為少，則此開關(guān)便被視作為被按壓。（二）也可以測(cè)量周期，即在固定次數(shù)的張弛周期間計(jì)算系統(tǒng)時(shí)鐘周期的總數(shù)。如果開關(guān)被按壓，則張弛振蕩器的頻率會(huì)減少，則在相同次數(shù)周期會(huì)測(cè)量到更多的系統(tǒng)時(shí)鐘周期。SiliconLabs推出的C8051F9xx微控制器（MCU）系列

3、，可通過使用芯片上比較器和定時(shí)器實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵功能，連接最多23個(gè)感應(yīng)按鍵。而且無須外部器件，通過PCB走線/開關(guān)作為電容部分，由內(nèi)部觸摸感應(yīng)按鍵電路進(jìn)行測(cè)量以得知電容值的變化。以SiliconLabs的MCU現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵利用SiliconLabs其它MCUi（列，僅需搭配無源器件，即可實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)按鍵方案。與C8051F93x-F92x方案相比，唯一所需的外部器件是（3+N）電阻器，其中N是開關(guān)的數(shù)目，以及3個(gè)提供反饋的額外端口接點(diǎn)。C8051F93x-F92x之外，SiliconLabs其它MCUK列可直接連接12個(gè)開關(guān)，或者通過外部模擬多路復(fù)用器連接更多開關(guān)。設(shè)計(jì)觸摸感應(yīng)按鍵開

4、關(guān)因?yàn)槲覀円獋蓽y(cè)電容值的變化，所以希望變化幅度越大越好?，F(xiàn)在，有三個(gè)主要因素會(huì)影響開關(guān)電容及變化幅度。PCBk開關(guān)的大小、形狀和配置PCB6線和使用者手指間的材料種類連接開關(guān)和MCU勺走線特性我們測(cè)試了下圖中這12種不同開關(guān)。目的是為了發(fā)現(xiàn)開關(guān)的形狀尺寸會(huì)如何影響開關(guān)的空閑和被接觸的狀態(tài)，還可以發(fā)現(xiàn)哪一種開關(guān)的空閑電容最大，就不容易被PCB上的寄生電容而影響。測(cè)試結(jié)果表明，在特定區(qū)域中的開關(guān)越大且走線越多，則此開關(guān)的閑置電容便越高。圖中的環(huán)狀開關(guān)具有最低的電容，所以當(dāng)開關(guān)動(dòng)作時(shí)，可顯現(xiàn)最大的電容相對(duì)變化。開關(guān)的形狀尺寸會(huì)如何影響開關(guān)的空閑和被接觸的狀態(tài)由于開關(guān)上方的材料種類，會(huì)影響閑置電容和電

5、容的變化率。我們還測(cè)試了玻璃、有機(jī)玻璃Mylar聚酯薄膜、ABS塑料和FR4玻璃纖維，這幾種不同材料。我們發(fā)現(xiàn)，盡可能使用最薄的材料，使電容變化極大化。而且，建議使用具有高介電常數(shù)的材料，例如玻璃，以增加開關(guān)的絕對(duì)電容?？偨Y(jié)SiliconLabs的電容式觸摸感應(yīng)按鍵的優(yōu)點(diǎn)很多。首先，只需要很少的微控制器開銷（overhead）。設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)僅需443字節(jié)碼空間，每多增加一個(gè)開關(guān)僅需多增加額外的1字節(jié)。硬件資源只需要一個(gè)比較器和定時(shí)器。還可以采用高效率算法，讓微控制器可以進(jìn)入低功耗模式，并能定期喚醒以偵測(cè)開關(guān)動(dòng)作。總體只占用低于0.05%的CPU資源。其次，沒有外部硬件開銷?？梢詫㈤_關(guān)走線直接連

6、至MCUW口管腳，無須其它外部的反饋電阻器或電容器。而且芯片配置也很簡(jiǎn)單。無論開關(guān)使用為何材料，完成都很容易。另外，按鍵的偵測(cè)，不易受到噪聲和供應(yīng)電壓的影響。不受50/60Hz噪聲的影響，也不需要精密電壓源（VDD）。常見問答（摘自2008年12月SiliconLabs在線座談中的問答環(huán)節(jié)）問題回答問：如何調(diào)整觸摸靈敏度？是設(shè)計(jì)時(shí)固定的，還是到現(xiàn)場(chǎng)可以進(jìn)行調(diào)整的？答：靈敏度是通過實(shí)驗(yàn)來做的，客戶可以對(duì)不同狀況下的值進(jìn)行記錄，然后保存到flash中，這樣實(shí)際使用時(shí)，不同狀況下，系統(tǒng)會(huì)用不同值來工作，實(shí)現(xiàn)適合的靈敏度。靈敏度是設(shè)計(jì)時(shí)確定的，也可以設(shè)計(jì)成自學(xué)習(xí)型的。問：一個(gè)開關(guān)需個(gè)定時(shí)器和一個(gè)比較器

7、，多個(gè)開關(guān)是共用定時(shí)器和比較器嗎？答：對(duì)于多個(gè)開關(guān)，采用一個(gè)多路復(fù)用器，就可以共同使用一個(gè)定時(shí)器和比較器了。問：如何消除和區(qū)分電容觸摸的誤觸摸？答：確定觸摸式按鍵是否被按下可以通過檢測(cè)頻率或者周期來實(shí)現(xiàn)。而消除和區(qū)別誤觸摸，則要通過軟件上一些校準(zhǔn)的算法來實(shí)現(xiàn)。具體的信息，可以登陸下載詳細(xì)的參考應(yīng)用。問：貴公司的電容式觸摸芯片有休眠功能嗎？如何喚醒？答：有休眠功能，我們F9xx系列單片機(jī)支持sleep、suspend睡眠狀態(tài)?？梢酝ㄟ^IO、外部中斷、比較器等喚醒。問：和電阻式觸摸按鍵相比，電容式觸摸按鍵答：電阻式的要用A/D采樣，并且人的電阻很有哪些優(yōu)點(diǎn)，是否存在不足？大，采樣比較困難，每個(gè)人的

8、電阻差異也很大。抗干方面，電容式的更好一些。問：我的手要在按鍵放多久才能被檢測(cè)？答：人的動(dòng)作是以百毫秒來計(jì)算的，而IC內(nèi)部檢測(cè)是否有按鍵按下的時(shí)間通過數(shù)千個(gè)機(jī)器周期就可以確定，時(shí)間等級(jí)差很多。因此基本上手一放上去就會(huì)被檢測(cè)到。問：電容式觸摸按鍵有沒有防水防潮設(shè)計(jì)，如果使用環(huán)境在一些潮濕場(chǎng)所，例如啤酒生產(chǎn)，使用電容式觸摸按鍵是否合適？答：你可以在"電容式觸摸按鍵”的外面加一層塑料或其他介質(zhì)進(jìn)行彳護(hù)。另外，當(dāng)"按鍵”受到污染，"空閑電容，idlecapactiance"變大時(shí)，你可使用算法來刷新/標(biāo)定你的檢測(cè)門限（重新標(biāo)定時(shí)間常數(shù)，RC）o問：c8051F9

9、xx可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多少路的按鍵動(dòng)作？處理速度能達(dá)到多少？答：C8051F9xx最高速度是24.5MHz,電容感應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間是由電容充放電時(shí)間決定的，即與時(shí)間常數(shù)有關(guān)。一般一個(gè)周期為10002000個(gè)系統(tǒng)時(shí)間周期/SYSCLK,故響應(yīng)時(shí)間小于為2*2000*1/24.5MHz=160uS。人的動(dòng)作為上百mS級(jí)的，MCU有足夠的時(shí)間去處理按鍵響應(yīng)。由于受到I/O口的限制，C8051F9xx最多能做到23個(gè)按鍵。為了提高按鍵的抗干擾能力，在繪制PCB圖時(shí)應(yīng)注意哪些問題？答：按鍵與單片機(jī)IO間走線需要越短越好。為了提高按鍵的靈敏度和準(zhǔn)確度，編程時(shí)應(yīng)如何如何對(duì)其進(jìn)行處理？答：靈敏度和準(zhǔn)確度是相反的一組值。

10、你必須要自己個(gè)中間值來平衡。如果我想更多的了解和學(xué)習(xí)電容式觸摸按鍵技術(shù)，請(qǐng)問有無相關(guān)書記和資料課提供？謝謝答：有的，我們有電容按鍵的參考設(shè)計(jì)，包含軟硬件以及源代碼。請(qǐng)到網(wǎng)站上下載應(yīng)用文檔,AN338CapacitiveTouchSenseSolution.pdf,也可以聯(lián)系我們益登科技相關(guān)辦事處，獲取詳細(xì)設(shè)計(jì)資料及指導(dǎo)。假如我需要開發(fā)電容式觸摸按鍵技術(shù)，請(qǐng)問我應(yīng)該買什么開發(fā)工具和軟件？答：可以購(gòu)買我彳門提供的C8051F931-basedToolStick與CapacitiveTouchSense,或者C8051F930DK等開發(fā)套件，套件中包含設(shè)計(jì)資料和參考代碼。基于充放電原理的電容式觸摸按

11、鍵設(shè)計(jì)2010-12-2010:41:20來源：21ic關(guān)鍵字：充放電觸摸按鍵電容式定時(shí)計(jì)數(shù)器終止電壓GPIO放電回路觸摸鍵盤頻率檢測(cè)下降沿與傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵相比，電容式觸摸感應(yīng)按鍵美觀、耐用、壽命長(zhǎng)。電容式觸摸感應(yīng)按鍵實(shí)際只是PCB上的一小塊覆銅焊盤”，與四周地信號(hào)”構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)電容，觸摸該按鍵會(huì)影響該電容值。現(xiàn)在檢測(cè)電容值的方法有很多種，如電流與電壓相位差檢測(cè)、由電容構(gòu)成的振蕩器頻率檢測(cè)、電容橋電荷轉(zhuǎn)換檢測(cè)。而這里則是利用感應(yīng)電容與電阻構(gòu)成的RC回路，檢測(cè)充放電時(shí)間的變化量，不需要專用檢測(cè)電路,成本低廉。1檢測(cè)原理電容式觸摸按鍵電路的原理構(gòu)成如圖1所示，按鍵即是一個(gè)焊盤，與地構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)電

12、容，在周圍環(huán)境不變的情況下電容值固定為微小值，具有固定的充放電時(shí)間，而當(dāng)有一個(gè)導(dǎo)體向電極靠近時(shí)，會(huì)形成耦合電容，這樣就會(huì)改變固有的充放電時(shí)間，而手指就是這樣的導(dǎo)體。通過測(cè)量充放電時(shí)間的改變即可檢測(cè)是否有按鍵被按下。充放電時(shí)間的計(jì)算公式如下：式中，t,R,C分別為充放電時(shí)間，電阻值，電容值；V1為充放電終止電壓值；V2為充放電起始電壓值；Vt為充放電t時(shí)刻電容上的電壓值。蜉口p削眼群式觸模睡酬mih首先，開關(guān)在斷開的狀態(tài)下該按鍵被下拉電阻拉低，電勢(shì)為0V,這時(shí)開關(guān)閉合開始對(duì)按鍵充電，等充滿電穩(wěn)定后再斷開開關(guān)，這時(shí)按鍵開始放電，并用定時(shí)器記錄這段放電時(shí)間為t1,反復(fù)該過程。當(dāng)有手指觸碰按鍵時(shí)，放電

13、時(shí)間會(huì)改變?yōu)閠2,如圖2所示，由此即可判斷出手指是否觸摸到該按鍵。OiFflf國(guó)？也靠式"修幃立放電阿刈2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)該檢測(cè)電路由MSP430F1121A作為主控制器，由JTAG接口在線仿真調(diào)試，鍵盤分為單個(gè)觸摸按鍵檢測(cè)和矩陣觸摸按鍵檢測(cè)兩部分，如圖3所示。其占用的單片機(jī)資源包括帶有中斷功能的GPIO口和定時(shí)計(jì)數(shù)器。FL7/n»門刖kpi .t. TiM?rtirk11stoury.Ha 修門rfMKKH冊(cè)冊(cè)Pl . 2PL. 1;HSP vanTUI IQITTFL 3,刖葉 1. VTCl * 7TS7rK-1P2 0 Fl 1TL2 FI PZ4£SJ-HS

14、P430fll3U_i 30HD1 I.! /口區(qū)工 /工； 。內(nèi)科：&山田山力：rDO fD引pip-品1HU PIM用3電說原評(píng)后2.1單個(gè)觸摸按鍵檢測(cè)圖3中連接單片機(jī)P2.5引腳的KeyPad與電阻R5構(gòu)成一個(gè)RC充放電回路，這里由單片機(jī)的P2.5引腳控制電容的充放電，其作用相當(dāng)于圖1中的開關(guān)。實(shí)際的電路板中KeyPad與周圍及背面的覆銅構(gòu)成電容，P2.5置為高電平，給KeyPad充電，等到穩(wěn)定后將P2.5引腳置為輸入，并使能中斷功能，且設(shè)為下降沿觸發(fā)，這時(shí)KeyPad上的電荷會(huì)由R5對(duì)地放電，多次測(cè)量放電時(shí)間，作為基準(zhǔn)放電時(shí)間。當(dāng)手指觸碰時(shí)，放電時(shí)間會(huì)改變，反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出合理的閾

15、值。以后檢測(cè)到放電時(shí)間超過這一閾值，則說明有按鍵按下。為精確測(cè)量充放電時(shí)間，要使充放電電流很小，放電的電阻在兆數(shù)量級(jí)，這里選用6.1MIQ的電阻，MSP430引腳設(shè)為輸入時(shí)的漏電流為50nA,對(duì)放電回路可以忽略。2.2矩陣觸摸按鍵檢測(cè)MSP430的P1.0P1.3和P2.0P2.3分別連接到PAD1PAD4和PAD5PAD8構(gòu)成一個(gè)4x4的鍵盤矩陣，按鍵從AP,如圖3所示。兩兩焊盤交匯處即是一個(gè)按鍵。在掃描過程中如果PAD2與PAD7的掃描結(jié)果超出閾值，則說明其交匯處（即按鍵G）被按下。需要注意的是其充放電過程有所變化，不再是單一的電容對(duì)地放電，而是兩個(gè)焊盤間互相充放電。例如行掃描的PAD1與

16、PAD2通過R1由引腳P1.0和P1.1互相充放電。對(duì)于PAD1的檢測(cè)過程如下：1）將P1.。設(shè)為輸出低電平，P1.1設(shè)為輸出高電平，待穩(wěn)定；2）將P1.0設(shè)置為輸入并啟動(dòng)P1.0的上升沿觸發(fā)中斷功能，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；3）待到PAD1充電到達(dá)觸發(fā)電平上限，產(chǎn)生中斷，停止計(jì)時(shí)，算出按鍵1的充電時(shí)間t+;4）將P1.0設(shè)為輸出高電平，P1.1設(shè)為輸出低電平，待穩(wěn)定；5）將P1.1設(shè)置為輸入并肩動(dòng)P1.0的下降沿觸發(fā)中斷功能，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；6）待到PAD1放電到達(dá)觸發(fā)電平下限，產(chǎn)生中斷，停止計(jì)時(shí)，算出按鍵1的放電時(shí)間t_;7）利用t+和t_求出按鍵1的平均充放電時(shí)間tbase,并作為基準(zhǔn)值；8）按

17、照步驟1）步驟6）不斷檢測(cè)充放電時(shí)間t,并與基準(zhǔn)值tbase作比較，如果其差值超出某一閾值，則可以判斷有按鍵被按下；9）用同樣的步驟計(jì)算PAD2的充放電時(shí)間，完成PAD1和PAD2的充放電掃描。10）同理，分別由PAD3和PAD4、PAD5和PAD6、PAD7和PAD8構(gòu)成充放電電極對(duì)，檢測(cè)其充放電時(shí)間。利用這種結(jié)構(gòu)可構(gòu)成規(guī)模較大的低成本觸摸鍵盤矩陣，而不需專用芯片。電路中用充放電時(shí)間平均值代替放電時(shí)間平均值，更能增強(qiáng)抗干擾性。3軟件程序設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)最主要的是基于以上步驟不斷對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，除此之外由于觸摸按鍵的電容值會(huì)受環(huán)境的影響而變化，尤其是溫度和濕度的影響，因此能跟蹤環(huán)境變化及時(shí)校正基本充放電時(shí)間tbase很必要，整體軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。周4時(shí)序懂秋劇如果控制器發(fā)現(xiàn)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒有按鍵被按下（這里設(shè)為60s）,就開始啟動(dòng)校正功能，重新掃描鍵盤，獲取新的充放電時(shí)間，并作為基準(zhǔn)值，這樣可以克服環(huán)境變化帶來的影響。4PCB設(shè)計(jì)與布局鍵盤可以做成任意形狀，但為盡量避免尖端放電效應(yīng)，應(yīng)盡可能采用圓弧形作為邊緣，對(duì)于單個(gè)按鍵一般設(shè)計(jì)成直徑10mm的圓形，尺寸過小會(huì)使得檢測(cè)信號(hào)微弱，不利于檢測(cè)，尺寸過大會(huì)使未碰觸時(shí)和碰觸時(shí)電容量的差值降低，而設(shè)計(jì)時(shí)盡量使差異值最大化，所以按鍵既不能過大也不能過小。對(duì)于矩陣按鍵，應(yīng)設(shè)計(jì)成相互交叉的手指狀。各個(gè)感應(yīng)盤的形狀、面積應(yīng)該相同，以保證靈敏度一致。