簡(jiǎn)述8位MCU的觸摸按鍵設(shè)計(jì)方案

0 前言

MCU（Micro Controller Unit）中文名稱為多點(diǎn)控制單元，又稱單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer），是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。

在需要用戶界面的應(yīng)用方案中，傳統(tǒng)的機(jī)電開關(guān)正在被電容式觸摸感應(yīng)控制所替代。通過(guò)對(duì)由一個(gè)電阻和觸摸電極電容組成的RC充放電時(shí)間的控制，該觸摸感應(yīng)軟件可以檢測(cè)到人手的觸摸。由于電極電容的改變，導(dǎo)致的RC充放電時(shí)間的改變，能夠被檢測(cè)出來(lái)，然后經(jīng)過(guò)濾波等，最終通過(guò)專用的I/O端口，或者I2C/SPI接口發(fā)送給主機(jī)系統(tǒng)。該軟件庫(kù)所需的元器件BOM表，成本低廉，因?yàn)槊總€(gè)通道只需要兩個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)觸摸檢測(cè)功能。

1 RC感應(yīng)原理

RC采樣原理就是通過(guò)測(cè)量觸摸電極電容的微小變化，來(lái)感知人體對(duì)電容式觸摸感應(yīng)器（按鍵、滾輪或者滑條）的觸摸。

電極電容（C）通過(guò)一個(gè)固定的電阻（R）周期性地充放電。 電容值取決于以下幾個(gè)參數(shù)：電極面積（A），絕緣體相對(duì)介電常數(shù)（ ），空氣相對(duì)濕度（ ），以及兩個(gè)電極之間的距離（d）。電容值可由下列公式得出：

圖1 RC電壓檢測(cè)

固定電壓施加在 ， 的電壓隨著電容值的變化而相應(yīng)增加或者降低， 如圖2所示。

圖2 測(cè)量充電時(shí)間

通過(guò)計(jì)算 的電壓達(dá)到閥值 所需要的充電時(shí)間（ ），來(lái)得到電容值（C）。 在觸摸感應(yīng)應(yīng)用中，電容值（C）由兩部分組成：固定電容（電極電容， ）和當(dāng)人手接觸或者靠近電極時(shí)，由人手帶來(lái)的電容（感應(yīng)電容， ）。 利用該原理，就可以檢測(cè)到手指是否觸摸了電極。

圖3 觸摸感應(yīng)

這就是用于檢測(cè)人手觸摸的觸摸感應(yīng)軟件中感應(yīng)層所采用的基本原理。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

圖4顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)的實(shí)例。由R1，R2以及電容電極（ ）和手指電容（ ）并聯(lián)的電容（大約5pF） 形成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)該RC網(wǎng)絡(luò)充放電時(shí)間的測(cè)量，可以檢測(cè)到人手的觸摸。 所有電極共享一個(gè)“負(fù)載I/O”引腳。電容R2（10K？）是可選的，用于減少對(duì)噪聲影響。

圖4 電容觸摸感應(yīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)例

3 軟件實(shí)現(xiàn)

本章描述了觸摸感應(yīng)RC原理的實(shí)現(xiàn)。

3.1 充電時(shí)間測(cè)量原理

為了保證健壯的電容觸摸感應(yīng)的應(yīng)用，充電時(shí)間的測(cè)量需要足夠的精確。

采用一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)器（無(wú)需IC功能）和一系列簡(jiǎn)單的軟件操作，即定時(shí)地檢查感應(yīng)I/O端口上的電壓是否達(dá)到閥值。

3.2 基本測(cè)量

使用普通定時(shí)器進(jìn)行充電時(shí)間的測(cè)量。對(duì)電容充電開始之前，定時(shí)器的計(jì)數(shù)器數(shù)值被記錄下來(lái)。當(dāng)采樣I/O端口上的電壓達(dá)到某個(gè)閥值（ ）時(shí)，再次記錄定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值。二者之差就是 充電或者放電的時(shí)間。

圖5 定時(shí)器計(jì)數(shù)器值

3.3 過(guò)采樣

過(guò)采樣的目的是以CPU時(shí)鐘的精度，對(duì)輸入電壓達(dá)到高電平和低電平（ 和 ）的時(shí)間測(cè)量。 為了跨越所有的取值范圍，每次測(cè)量都比上一次測(cè)量延遲一個(gè)CPU時(shí)鐘周期的時(shí)間。

圖6 輸入電壓測(cè)量

3.4 輸入電壓測(cè)量的原理

為了提高在電壓和溫度變動(dòng)情況下的穩(wěn)定性，對(duì)電極會(huì)進(jìn)行連續(xù)兩次的測(cè)量：第一次測(cè)量對(duì)電容的充電時(shí)間，直到輸入電壓升至 。第二次測(cè)量電容的放電時(shí)間，直到輸入電壓降至 。下圖以及以下的表格詳細(xì)說(shuō)明了對(duì)感應(yīng)電極（感應(yīng)I/O）和負(fù)載I/O引腳上的操作流程。

表2 電容充放電測(cè)量步驟

3.5 觸摸的效果

電極的電容值（ ）取決于以下幾個(gè)主要因素：電極的形狀、大小，觸摸感應(yīng)控制器到電極之間的 布線（尤其是地耦合），以及介電面板的材料和厚度。圖8說(shuō)明了這種“觸摸的效果”。 時(shí)間（即達(dá)到了 電平的時(shí)刻）比長(zhǎng)；同樣對(duì)于降至 電平的時(shí)間也比長(zhǎng)。

圖8 觸摸效果實(shí)例

3.6 多次測(cè)量以及高頻噪聲的去除

為了提高測(cè)量的精確度，并去除高頻噪聲，有必要對(duì) 和 進(jìn)行多次的測(cè)量，然后再?zèng)Q定是否有按鍵被有效“觸摸”。

圖9 測(cè)量的種類

注意：下圖說(shuō)明了去除噪聲的實(shí)例。如果測(cè)量次數(shù)（N）設(shè)置為4，那么對(duì)一個(gè)電極的完整測(cè)量將包括4次正確的“連續(xù)組測(cè)量”（BGs）。

圖10 顯示了沒(méi)有噪聲的影響，所有測(cè)量都有效的情況。 這個(gè)例子中，每個(gè)連續(xù)組測(cè)量中的測(cè)量都有效，使得一個(gè)完整的測(cè)量很快就可以完成。

圖10 實(shí)例1

圖11 顯示了有一些噪聲使得某些測(cè)量無(wú)效的情況（即r1和r2）。 在這個(gè)例子中，連續(xù)組測(cè)量BG3重復(fù)了好幾次，直到其中的所有測(cè)量都有效，該次組測(cè)量才算通過(guò)。

圖11 實(shí)例2

圖12 顯示了有很多噪聲，使得無(wú)效的組測(cè)量次數(shù)達(dá)到了最大限制 （比如20）。這樣的話，整個(gè)電極測(cè)量都無(wú)效。

圖12 實(shí)例3

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