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[導(dǎo)讀] 1 引言  相較于機(jī)械式按鍵和電阻式觸摸按鍵,電容式觸摸按鍵不僅耐用,造價(jià)低廉,機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單易于安裝,防水防污,而且還能提供如滾輪、滑動(dòng)條的功能。但是電容式觸摸按鍵也存在很多的問(wèn)題,因?yàn)闆]有機(jī)械構(gòu)造,所

    1 引言

  相較于機(jī)械式按鍵和電阻式觸摸按鍵,電容式觸摸按鍵不僅耐用,造價(jià)低廉,機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單易于安裝,防水防污,而且還能提供如滾輪、滑動(dòng)條的功能。但是電容式觸摸按鍵也存在很多的問(wèn)題,因?yàn)闆]有機(jī)械構(gòu)造,所有的檢測(cè)都是電量的微小變化,所以對(duì)各種干擾敏感得多。ST針對(duì)家電應(yīng)用特別是電磁爐應(yīng)用,推出了一個(gè)基于STM8系列8位通用微控制器平臺(tái)的電容式觸摸感應(yīng)方案,無(wú)需增加專用觸摸芯片,僅用簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)功能,方便客戶二次開發(fā)。

  2 方案介紹

  ST的電容式觸摸按鍵方案通過(guò)一個(gè)電阻和感應(yīng)電極的電容CX構(gòu)成的阻容網(wǎng)絡(luò)的充電/放電時(shí)間來(lái)檢測(cè)人體觸摸所帶來(lái)的電容變化。如圖1所示,當(dāng)人手按下時(shí)相當(dāng)于感應(yīng)電極上并聯(lián)了一個(gè)電容CT,增加了感應(yīng)電極上的電容,感應(yīng)電極進(jìn)行充放電的時(shí)間會(huì)增加,從而檢測(cè)到按鍵的狀態(tài)。而感應(yīng)電極可以直接在PCB板上繪制成按鍵、滾輪或滑動(dòng)條的應(yīng)用樣式,也可以做成彈簧件插在PCB板上,即使隔著絕緣層(玻璃、樹脂)也不會(huì)對(duì)其檢測(cè)性能有所影響。



圖1 STM8S電容式觸摸按鍵的工作原理[!--empirenews.page--]

  電磁爐是采用磁場(chǎng)感應(yīng)電流的加熱原理對(duì)食物進(jìn)行加熱。加熱時(shí),通過(guò)面板下方的線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),磁力線穿過(guò)導(dǎo)磁體做的鍋的底部時(shí),鍋具切割交變磁力線而在鍋具底部產(chǎn)生渦流使鍋底迅速發(fā)熱,達(dá)到加熱食物的目的。在本解決方案中采用44pin的STM8S105S4做按鍵顯示板的主控芯片,控制13個(gè)按鍵的掃描、24個(gè)LED及一個(gè)4位數(shù)碼管的顯示、I2C與主板的通訊,并留有一個(gè)SWIM接口方便工程師調(diào)試之用(如圖2)。

  STM8S105S4采用的是ST高級(jí)STM8內(nèi)核,具備3級(jí)流水線的哈佛結(jié)構(gòu),3.0~5.5V工作電壓,內(nèi)部16MHz RC可提供MCU 16MHz工作頻率,提供低功耗模式和外設(shè)時(shí)鐘關(guān)閉功能,共有34個(gè)I/O可用。STM8S105S4 具有2KB的RAM和16KB的FLASH,還有可達(dá)30萬(wàn)次擦寫次數(shù)的1KB EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。



圖2 電磁爐按鍵板原理

  3 電磁爐工作環(huán)境中的干擾

  1.電磁干擾

  電磁爐在加熱鍋的同時(shí),也對(duì)電路板上感應(yīng)電極正向或反向的電流,從而會(huì)縮短或增長(zhǎng)按鍵充放電時(shí)間,會(huì)對(duì)按鍵的檢測(cè)造成很大影響,甚至產(chǎn)生誤動(dòng)作,常見的方法采用硬件屏蔽和過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)來(lái)消除電磁輻射對(duì)按鍵的影響。[!--empirenews.page--]

  硬件屏蔽

  在STM8S的解決方案中,ST提供了感應(yīng)電極和走線的設(shè)計(jì)規(guī)范和如圖3所示的Driven Shield功能(在Shield線上提供與按鍵管腳相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào),電極與Shield之間的寄生電容就不會(huì)被充放電),能有效地減少感應(yīng)電極走線的寄生電容對(duì)按鍵靈敏度的影響。



圖3 Driven Shield

  過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)

  1)    硬件過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)

  過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)可采用硬件實(shí)現(xiàn),在硬件設(shè)計(jì)中,可以增加如圖4 或圖5過(guò)零點(diǎn)的硬件檢測(cè)電路,通過(guò)在B端輸出為高電平時(shí)進(jìn)行按鍵狀態(tài)的判斷,以期在電磁輻射最小的時(shí)候?qū)τ|摸按鍵進(jìn)行檢測(cè)。



圖4 硬件過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路1



圖5 硬件過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路2[!--empirenews.page--]

  2)軟件過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)

  硬件過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)增加硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,增加方案成本,在我們的解決方案中,針對(duì)電磁爐的工作環(huán)境,我們采用軟件進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè),從而降低成本,有效解決電磁爐主功率電路對(duì)觸摸按鍵的干擾

  2.電網(wǎng)干擾

  因?yàn)閲?guó)內(nèi)電網(wǎng)質(zhì)量不一,在一些質(zhì)量差的地區(qū),容易影響電磁爐觸摸按鍵的正常工作。如果不能做電源隔離,就會(huì)看到一下圖6的差別(藍(lán)色表示無(wú)按鍵,紅色表示鍵被按下),而這些圖還只是在電磁爐沒有開功率的情況下的,當(dāng)電磁爐工作時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射將會(huì)使看到的信號(hào)更加雜亂無(wú)章。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),采用與外界電網(wǎng)隔離或使用軟件濾波,按鍵效果都能得到明顯改善。


 


圖6    質(zhì)量好的電網(wǎng)          質(zhì)量差的電網(wǎng)1                質(zhì)量差的電網(wǎng) 2

  3.濺水,濺油的影響

  在電磁爐的使用當(dāng)中,常常會(huì)出現(xiàn)水或油濺到觸摸面板上,它可能導(dǎo)致按鍵誤觸發(fā),本解決方案采用特殊軟件算法可靠地將覆水濺油與手指按下的狀態(tài)區(qū)分開。

  4.環(huán)境自適應(yīng)能力

  電磁爐在工作的時(shí)候,會(huì)產(chǎn)生大量的熱量與濕氣,面板溫度/濕度,電路板溫度/濕度都是會(huì)在一個(gè)很寬的范圍浮動(dòng),而隨著使用時(shí)間的推移,包括玻璃面板、PCB板都會(huì)出現(xiàn)不同程序的老化,從而影響按鍵檢測(cè)的準(zhǔn)確度。在ST的解決方案中,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)校準(zhǔn)功能,實(shí)時(shí)地提供環(huán)境檢測(cè),實(shí)現(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)的機(jī)制。

  4總結(jié)

  ST提供的解決方案包含了觸摸面板自校準(zhǔn)、軟件濾波、軟件過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)及環(huán)境自適應(yīng)等功能,盡可能地使用軟件算法去屏蔽各種復(fù)雜環(huán)境的干擾,具有低成本及工作可靠等特點(diǎn)。當(dāng)然在其他產(chǎn)品的應(yīng)用中,也會(huì)有一些與電磁爐環(huán)境不同的要求,這里只是介紹了其中一些有代表性的干擾,但只要掌握了電容式觸摸的工作原理,還是有很多種方法來(lái)處理各種應(yīng)用情況。

 

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