基于K60單片機的紅外多點觸摸屏硬件設(shè)計

杜浩宇 徐婷婷 馮 濤 楊士輝

（1.長春理工大學(xué) 王大珩科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春130022；2.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長春130022）

0 引言

紅外觸摸屏是在觸摸屏的四周布滿紅外接收管和紅外發(fā)射管，這些紅外管在觸摸屏的表面排列呈一一對應(yīng)的位置關(guān)系，形成一張由紅外線布成的光網(wǎng)，當(dāng)有物體(可以是手指,帶手套的手或任何觸摸物體)進入紅外光網(wǎng)阻擋住某處的紅外線發(fā)射接收時，此點的橫豎兩個方向的接收紅外管接收到的紅外線的強弱就會發(fā)生變化，設(shè)備通過了解紅外線的接收情況的變化就能知道何處進行了觸摸。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的核心以飛思卡爾公司的K60 芯片為主控制器，它首先控制移位寄存器74HC164 和譯碼器74HC138 來完成接收管和發(fā)射管的矩陣掃描。然后控制信號處理模塊，不斷循環(huán)采集接收管的電壓幅度值。當(dāng)有觸摸物進入觸摸區(qū)域時，由于對光線的遮擋，對應(yīng)的接收管采集到的電壓值必然發(fā)生變化， 此時通過與之前的值進行比較和運算，就可計算出觸摸點的坐標(biāo)。 最后再將得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過USB 發(fā)送給PC 機，最終實現(xiàn)觸摸定位功能。

2 單片機選擇

硬件系統(tǒng)以Kinetis 60 微控制器為核心， 具有處理速度快， 功耗低，成本低等優(yōu)點，其片內(nèi)128KB 的RAM，512KB 的FLASH，高達16位精度A/D 采樣模塊和多通道的DMA 模塊完全滿足了系統(tǒng)開發(fā)的需要。 同時K60 包含DSP 內(nèi)核，通過庫函數(shù)調(diào)用，方便進行數(shù)學(xué)運算以及數(shù)字信號處理，可以減輕硬件負(fù)擔(dān)，加快信號處理速度，減小響應(yīng)時間。

3 紅外發(fā)送與接收電路設(shè)計

3.1 紅外發(fā)射及掃描電路

紅外發(fā)射及掃描電路如圖1 所示。 工作原理是通過74HC164 和74HC138 構(gòu)成n*n（實驗以8*8 做測試）掃描電路。74HC164 為移位寄存器，它每次只使一個輸出腳為高電平，74HC138 為38 譯碼器，它每次只使一個輸出腳為低電平。 圖中Cn，Cn+1 為74HC164 輸出腳，COUTn、COUTn+1 為74HC138 輸出腳。 當(dāng)Cn 輸入低脈沖、COUTn 為低電平時，紅外發(fā)射管點亮。 改變Cn 和COUTn，即可使不同發(fā)射管點亮，擴展此電路即可實現(xiàn)n*n 掃描。

圖1 紅外發(fā)射及掃描電路

3.2 接收及放大電路

接收及放大電路如圖2 所示。電路利用了三極管的開關(guān)特性來實現(xiàn)接收管部分的矩陣掃描。取樣電阻R109 接在光敏三極管的集電極，當(dāng)接收管接收到相應(yīng)波長的紅外光時， 會產(chǎn)生一定大小的光電流，R109 將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，Qn 接入74LS151 數(shù)據(jù)選擇器輸入端，將電壓信號輸出。 電路中的Cn 與發(fā)射電路是相接的，這樣就能保證發(fā)射管和對應(yīng)的接收管同時工作。

74LS151 為互補輸出的8 選1 數(shù)據(jù)選擇器，它配合74HC164 也能實現(xiàn)n*n 路矩陣掃描輸出，其輸出引腳為Y 腳，該引腳接到下一級的放大器進行放大處理。

圖2 紅外接收基本電路

紅外接收管被有效光照射后產(chǎn)生毫伏級別的電壓信號，需要對信號進行放大才能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD 的信號采集范圍。 我們選擇低噪聲、低失真的放大器AD8330 對模擬光電信號進行放大，在高增益下通過高速轉(zhuǎn)換，使其適合于作為模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的前置放大，并且頻帶寬度折中較小，設(shè)計中可以靈活的使用整個動態(tài)范圍，而不會影響帶寬或者產(chǎn)生失真。

4 串口通信

本紅外觸摸屏采用串口通信方式，把計算出的坐標(biāo)信息發(fā)送給主控設(shè)備。 設(shè)計中，采用RS-232 通信協(xié)議，應(yīng)用MAX3232 芯片吧單片機的TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS-232 電平。 應(yīng)用串口通信，通信協(xié)議簡單，硬件實現(xiàn)方便。

5 電源電路

由于主控芯片需要3.3V 的電壓， 因此需要對電源電壓進行降壓處理。 本系統(tǒng)采用LM1117-3.3V 進行穩(wěn)壓處理，LM1117-3.3V 是一個正向低壓降穩(wěn)壓器， 其輸出固定電壓為3.3V， 允許最大工作電流為800MA，而且芯片內(nèi)還集成了過熱保護和限流電路，因此能保證正常、穩(wěn)定的給整個系統(tǒng)供電。最后，穩(wěn)壓芯片的濾波電容要靠近引腳，數(shù)字地和模擬地要分開。

6 總結(jié)

系統(tǒng)掃描方面占用的時間最多，約為總體時間的90%，因此本文重點放在減少掃描時間上。系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)對元器件精確度要求比較高，特別是運算放大器抗噪聲能力和抗漂移能力要求很高。 接收光信號產(chǎn)生的微弱電流非常小，轉(zhuǎn)化的電壓值也很小，如果精確度和抗噪聲能力不夠的話，有用信號會被噪聲所湮沒，所以本文又增加了濾波電容，減少環(huán)境光對系統(tǒng)的干擾。

［1］曾一雄.基于STM32 的抗強光多點紅外觸摸屏的設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2013.

［2］吳娟.紅外多點觸摸技術(shù)的關(guān)鍵問題研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2012.

［3］劉建軍,葉新林,劉新斌. 一種識別紅外觸摸技術(shù)上多個觸摸點的方法[P].中國:CN101075168A.

［4］Shneiderman B.Touch screens now offer compelling uses [J].Software, IEEE,1991(8):93-94,107.

［5］P. Dietz, D. Leigh. Diamondtouch: a multi-user touch technology[C]//Proceedings of the 14th annual ACM symposium on User interface software and technology.Orlando, Florida, November 11 - 14, New York, 2001:219-226.