電容式觸摸感應按鍵技術(shù)原理及應用

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

2、的張弛振蕩器。如果不觸摸開關(guān)，張弛振蕩器有一個固定的充電放電周期，頻率是可以測量的。如果我們用手指或者觸摸筆接觸開關(guān)，就會增加電容器的介電常數(shù)，充電放電周期就變長，頻率就會相應減少。所以，我們測量周期的變化，就可以偵測觸摸動作。具體測量的方式有二種：（一）可以測量頻率，計算固定時間內(nèi)張弛振蕩器的周期數(shù)。如果在固定時間內(nèi)測到的周期數(shù)較原先校準的為少，則此開關(guān)便被視作為被按壓。（二）也可以測量周期，即在固定次數(shù)的張弛周期間計算系統(tǒng)時鐘周期的總數(shù)。如果開關(guān)被按壓，則張弛振蕩器的頻率會減少，則在相同次數(shù)周期會測量到更多的系統(tǒng)時鐘周期。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器實現(xiàn)觸摸感應按鍵功能，連接最多23個感應按鍵。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)部觸摸感應按鍵電路進行測量以得知電容值的變化。以SiliconLabs的MCU現(xiàn)觸摸感應按鍵利用SiliconLabs其它MCUi（列，僅需搭配無源器件，即可實現(xiàn)電容式觸摸感應按鍵方案。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個提供反饋的額外端口接點。C8051F93x-F92x之外，SiliconLabs其它MCUK列可直接連接12個開關(guān)，或者通過外部模擬多路復用器連接更多開關(guān)。設計觸摸感應按鍵開

4、關(guān)因為我們要偵測電容值的變化，所以希望變化幅度越大越好?，F(xiàn)在，有三個主要因素會影響開關(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，所以當開關(guān)動作時，可顯現(xiàn)最大的電容相對變化。開關(guān)的形狀尺寸會如何影響開關(guān)的空閑和被接觸的狀態(tài)由于開關(guān)上方的材料種類，會影響閑置電容和電

5、容的變化率。我們還測試了玻璃、有機玻璃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)的絕對電容?？偨Y(jié)SiliconLabs的電容式觸摸感應按鍵的優(yōu)點很多。首先，只需要很少的微控制器開銷（overhead）。設計一個開關(guān)僅需443字節(jié)碼空間，每多增加一個開關(guān)僅需多增加額外的1字節(jié)。硬件資源只需要一個比較器和定時器。還可以采用高效率算法，讓微控制器可以進入低功耗模式，并能定期喚醒以偵測開關(guān)動作。總體只占用低于0.05%的CPU資源。其次，沒有外部硬件開銷。可以將開關(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，不易受到噪聲和供應電壓的影響。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？是設計時固定的，還是到現(xiàn)場可以進行調(diào)整的？答：靈敏度是通過實驗來做的，客戶可以對不同狀況下的值進行記錄，然后保存到flash中，這樣實際使用時，不同狀況下，系統(tǒng)會用不同值來工作，實現(xiàn)適合的靈敏度。靈敏度是設計時確定的，也可以設計成自學習型的。問：一個開關(guān)需個定時器和一個比較器

7、，多個開關(guān)是共用定時器和比較器嗎？答：對于多個開關(guān)，采用一個多路復用器，就可以共同使用一個定時器和比較器了。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頻率或者周期來實現(xiàn)。而消除和區(qū)別誤觸摸，則要通過軟件上一些校準的算法來實現(xiàn)。具體的信息，可以登陸下載詳細的參考應用。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系列單片機支持sleep、suspend睡眠狀態(tài)。可以通過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，是否存在不足？大，采樣比較困難，每個人的

8、電阻差異也很大?？垢煞矫妫娙菔降母靡恍?。問：我的手要在按鍵放多久才能被檢測？答：人的動作是以百毫秒來計算的，而IC內(nèi)部檢測是否有按鍵按下的時間通過數(shù)千個機器周期就可以確定，時間等級差很多。因此基本上手一放上去就會被檢測到。問：電容式觸摸按鍵有沒有防水防潮設計，如果使用環(huán)境在一些潮濕場所，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)進行彳護。另外，當"按鍵”受到污染，"空閑電容，idlecapactiance"變大時，你可使用算法來刷新/標定你的檢測門限（重新標定時間常數(shù)，RC）o問：c8051F9

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

10、你必須要自己個中間值來平衡。如果我想更多的了解和學習電容式觸摸按鍵技術(shù)，請問有無相關(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計，包含軟硬件以及源代碼。請到網(wǎng)站上下載應用文檔,AN338CapacitiveTouchSenseSolution.pdf,也可以聯(lián)系我們益登科技相關(guān)辦事處，獲取詳細設計資料及指導。假如我需要開發(fā)電容式觸摸按鍵技術(shù)，請問我應該買什么開發(fā)工具和軟件？答：可以購買我彳門提供的C8051F931-basedToolStick與CapacitiveTouchSense,或者C8051F930DK等開發(fā)套件，套件中包含設計資料和參考代碼。基于充放電原理的電容式觸摸按

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

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間，而當有一個導體向電極靠近時，會形成耦合電容，這樣就會改變固有的充放電時間，而手指就是這樣的導體。通過測量充放電時間的改變即可檢測是否有按鍵被按下。充放電時間的計算公式如下：式中，t,R,C分別為充放電時間，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，電勢為0V,這時開關(guān)閉合開始對按鍵充電，等充滿電穩(wěn)定后再斷開開關(guān)，這時按鍵開始放電，并用定時器記錄這段放電時間為t1,反復該過程。當有手指觸碰按鍵時，放電

13、時間會改變?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？也靠式"修幃立放電阿刈2檢測電路設計該檢測電路由MSP430F1121A作為主控制器，由JTAG接口在線仿真調(diào)試，鍵盤分為單個觸摸按鍵檢測和矩陣觸摸按鍵檢測兩部分，如圖3所示。其占用的單片機資源包括帶有中斷功能的GPIO口和定時計數(shù)器。FL7/n»門刖kpi .t. TiM?rtirk11stoury.Ha 修門rfMKKH冊冊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電說原評后2.1單個觸摸按鍵檢測圖3中連接單片機P2.5引腳的KeyPad與電阻R5構(gòu)成一個RC充放電回路，這里由單片機的P2.5引腳控制電容的充放電，其作用相當于圖1中的開關(guān)。實際的電路板中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，且設為下降沿觸發(fā)，這時KeyPad上的電荷會由R5對地放電，多次測量放電時間，作為基準放電時間。當手指觸碰時，放電時間會改變，反復實驗測出合理的閾

15、值。以后檢測到放電時間超過這一閾值，則說明有按鍵按下。為精確測量充放電時間，要使充放電電流很小，放電的電阻在兆數(shù)量級，這里選用6.1MIQ的電阻，MSP430引腳設為輸入時的漏電流為50nA,對放電回路可以忽略。2.2矩陣觸摸按鍵檢測MSP430的P1.0P1.3和P2.0P2.3分別連接到PAD1PAD4和PAD5PAD8構(gòu)成一個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地放電，而是兩個焊盤間互相充放電。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。對于PAD1的檢測過程如下：1）將P1.。設為輸出低電平，P1.1設為輸出高電平，待穩(wěn)定；2）將P1.0設置為輸入并啟動P1.0的上升沿觸發(fā)中斷功能，定時器開始計時；3）待到PAD1充電到達觸發(fā)電平上限，產(chǎn)生中斷，停止計時，算出按鍵1的充電時間t+;4）將P1.0設為輸出高電平，P1.1設為輸出低電平，待穩(wěn)定；5）將P1.1設置為輸入并肩動P1.0的下降沿觸發(fā)中斷功能，定時器開始計時；6）待到PAD1放電到達觸發(fā)電平下限，產(chǎn)生中斷，停止計時，算出按鍵1的放電時間t_;7）利用t+和t_求出按鍵1的平均充放電時間tbase,并作為基準值；8）按

17、照步驟1）步驟6）不斷檢測充放電時間t,并與基準值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）用同樣的步驟計算PAD2的充放電時間，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，檢測其充放電時間。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。電路中用充放電時間平均值代替放電時間平均值，更能增強抗干擾性。3軟件程序設計軟件設計最主要的是基于以上步驟不斷對鍵盤進行掃描，除此之外由于觸摸按鍵的電容值會受環(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)境變化及時校正基本充放電時間tbase很必要，整體軟件設計如圖4所示。周4時序懂秋劇如果控制器發(fā)現(xiàn)很長時間內(nèi)沒有按鍵被按下（這里設為60s）,就開始啟動校正功能，重新掃描鍵盤，獲取新的充放電時間，并作為基準值，這樣可以克服環(huán)境變化帶來的影響。4PCB設計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，應盡可能采用圓弧形作為邊緣，對于單個按鍵一般設計成直徑10mm的圓形，尺寸過小會使得檢測信號微弱，不利于檢測，尺寸過大會使未碰觸時和碰觸時電容量的差值降低，而設計時盡量使差異值最大化，所以按鍵既不能過大也不能過小。對于矩陣按鍵，應設計成相互交叉的手指狀。各個感應盤的形狀、面積應該相同，以保證靈敏度一致。