基于充放電原理的電容式觸摸按鍵設(shè)計(jì)

田 野，廖明燕

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061）

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?，F(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)電容[2]，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[1]。充放電時(shí)間的計(jì)算

圖1 電容式觸摸按鍵原理Fig.1 Principle of capacitive touch sensor

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。

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0 V，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[3]。

圖2 電容式觸摸按鍵放電時(shí)間Fig.2 Discharging time of capacitive touch sensor

2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

該檢測(cè)電路由MSP430F1121A作為主控制器[4]，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。

圖3 電路原理圖Fig.3 Circuit schematic

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6.1 MΩ的電阻，MSP430引腳設(shè)為輸入時(shí)的漏電流為50 nA，對(duì)放電回路可以忽略。

2.2 矩陣觸摸按鍵檢測(cè)

MSP430的P1.0～P1.3和P2.0～P2.3分別連接到PAD1～PAD4和PAD5～PAD8構(gòu)成一個(gè)4×4的鍵盤矩陣，按鍵從A～P，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P1.0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)置為輸入并啟動(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。

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60 s），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。

4 PCB設(shè)計(jì)與布局

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of system program

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10 mm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。各觸摸按鍵之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)一點(diǎn)，以減少相互間的干擾，可用覆地隔開[5]，通常按鍵與地信號(hào)間有0.5 mm的間隙，在按鍵的背面也覆一層地，以減少電磁干擾。觸摸按鍵的連接線應(yīng)盡量的細(xì)，不要跨越其他的信號(hào)線，尤其是高頻、強(qiáng)干擾的信號(hào)線[6]。

5 結(jié)束語

觸摸式按鍵的應(yīng)用越來越廣泛，如何有效地降低制造成本是產(chǎn)品研發(fā)中必須考慮的問題[7]，而電容式觸摸按鍵的檢測(cè)方法有多種，本論文中用到的硬件設(shè)計(jì)利用檢測(cè)RC電路充放電時(shí)間的原理以判別按鍵是否被按下，不僅可以檢測(cè)單個(gè)按鍵，還可以檢測(cè)矩陣按鍵，檢測(cè)電路僅由電阻電容構(gòu)成的充放電回路及單片機(jī)組成，替代了專用的檢測(cè)芯片，這樣簡(jiǎn)單、易用，且有效地降低了硬件成本。

[1]MARIN R E,SIMONSON R K.Capacitive keyswitch sensor and method,US,3931610[P].1976.

[2]何燕冬,楊龍,彭濤.電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)中的電容物理學(xué)[J].電子產(chǎn)品世界,2009,8:17-18.HE Yan-dong,YANG Long,PENG Tao.Physicsof capacitive sensing [J].Electronic Engineering&Product World,2009（8）:17-18.

[3]Texas Instraments.MSP430 capacitive single-touch sensor design guide[EB/OL].(2008-01)[2010-02-02].http://focus.ti.com/lit/an/slaa379/slaa379.pdf.

[4]魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[5]戴蓉,劉祖林,王春麟，等.智能儀器儀表中單片機(jī)的抗干擾措施[J].儀表技術(shù)與傳感器,1999（12）:37-38,41.DAI Rong,LIU Zu-lin,WANG Chun-lin，et al.The means of anti-intereference of microcontroller in the intelligent instrument[J].Instrument Technique and sensor,1999（12）:37-38,41.

[6]OTT H.Noise reduction techniques in electronic systems[M].2nd E Wiley-Interscience,1988.

[7]王秀霞,邵斌.基于電場(chǎng)傳感器MC33794的觸摸按鍵設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17（2）:100-101.WANG Xiu-xia,SHAO Bin.Design of touching key based on electric-field sensor MC33794 [J].Electronic Design Engneering,2009,17（2）:100-101.