電容式觸摸感應(yīng)按鍵技術(shù)原理及應(yīng)用

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1、電容式觸摸感應(yīng)按鍵技術(shù)原理及應(yīng)用2010-05-2612:45:02

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4、字號(hào)大中小?訂閱市場(chǎng)上的消費(fèi)電子產(chǎn)品已經(jīng)開始逐步采用觸摸感應(yīng)按鍵，以取代傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵。針對(duì)此趨勢(shì)，SiliconLabs公司推出了內(nèi)置微控制器(MCU)功能的電容式觸摸感應(yīng)按鍵(CapacitiveTouchSense)方案。電容式觸摸感應(yīng)按鍵開關(guān)，內(nèi)部是一個(gè)以電容器為基礎(chǔ)的開關(guān)。以傳導(dǎo)性物體（例如手指）觸摸電容器可改變電容，此改變會(huì)被內(nèi)置于微控制器內(nèi)的電路所偵測(cè)。電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理?◆Sil

5、iconLabs現(xiàn)提供一種可偵測(cè)因觸摸而改變的電容的方法電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理就是一個(gè)不斷地充電和放電的張弛振蕩器。如果不觸摸開關(guān)，張弛振蕩器有一個(gè)固定的充電放電周期，頻率是可以測(cè)量的。如果我們用手指或者觸摸筆接觸開關(guān)，就會(huì)增加電容器的介電常數(shù)，充電放電周期就變長(zhǎng)，頻率就會(huì)相應(yīng)減少。所以，我們測(cè)量周期的變化，就可以偵測(cè)觸摸動(dòng)作。具體測(cè)量的方式有二種：(一)可以測(cè)量頻率，計(jì)算固定時(shí)間內(nèi)張弛振蕩器的周期數(shù)。如果在固定時(shí)間內(nèi)測(cè)到的周期數(shù)較原先校準(zhǔn)的為少，則此開關(guān)便被視作為被按壓。(二)也可以測(cè)量周期，即

6、在固定次數(shù)的張弛周期間計(jì)算系統(tǒng)時(shí)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(huì)減少，則在相同次數(shù)周期會(huì)測(cè)量到更多的系統(tǒng)時(shí)鐘周期。SiliconLabs推出的C8051F9xx微控制器(MCU)系列，可通過(guò)使用芯片上比較器和定時(shí)器實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵功能，連接最多23個(gè)感應(yīng)按鍵。而且無(wú)須外部器件，通過(guò)PCB走線/開關(guān)作為電容部分，由內(nèi)部觸摸感應(yīng)按鍵電路進(jìn)行測(cè)量以得知電容值的變化?！粢許iliconLabs的MCU實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵利用SiliconLabs其它MCU系列，僅需搭配無(wú)源器件，即可實(shí)現(xiàn)電容式觸摸

7、感應(yīng)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(gè)提供反饋的額外端口接點(diǎn)。C8051F93x-F92x之外，SiliconLabs其它MCU系列可直接連接12個(gè)開關(guān)，或者通過(guò)外部模擬多路復(fù)用器連接更多開關(guān)。設(shè)計(jì)觸摸感應(yīng)按鍵開關(guān)因?yàn)槲覀円獋蓽y(cè)電容值的變化，所以希望變化幅度越大越好。現(xiàn)在，有三個(gè)主要因素會(huì)影響開關(guān)電容及變化幅度。PCB上開關(guān)的大小、形狀和配置PCB走線和使用者手指間的材料種類連接開關(guān)和MCU的走線特性我們測(cè)試了下圖中這12

8、種不同開關(guān)。目的是為了發(fā)現(xiàn)開關(guān)的形狀尺寸會(huì)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(cè)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(dāng)開關(guān)動(dòng)作時(shí)，可顯現(xiàn)最大的電容相對(duì)變化?！糸_關(guān)的形狀尺寸會(huì)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(huì)影響閑置電容和電容的變化率。我們還測(cè)試了玻璃、有機(jī)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

9、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(duì)電容?？偨Y(jié)SiliconLabs的電容式觸摸感應(yīng)按鍵的優(yōu)點(diǎn)很多。首先，只需要很少的微控制器開銷(overhead)。設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)僅需443字節(jié)碼空間，每多增加一個(gè)開關(guān)僅需多增加額外的1字節(jié)。硬件資源只需要一個(gè)比較器和定時(shí)器。還可以采用高效率算法，讓微控制器可以進(jìn)入低功耗模式，并能定期喚醒以偵測(cè)開關(guān)動(dòng)作?？傮w只占用低于0.05%的CPU資源。其次，沒(méi)有外部硬件開銷?？梢詫㈤_關(guān)走線直接連至MCU端口管腳，無(wú)須其它外

10、部的反饋電阻器或電容器。而且芯片配置也很簡(jiǎn)單。無(wú)論開關(guān)使用為何材料，完成都很容易。另外，按鍵的偵測(cè)，不易受到噪聲和供應(yīng)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(jiàn)問(wèn)答(摘自2008年12月SiliconLabs在線座談中的問(wèn)答環(huán)節(jié))問(wèn)題回答問(wèn)：如何調(diào)整觸摸靈敏度？是設(shè)計(jì)時(shí)固定的，還是到現(xiàn)場(chǎng)可以進(jìn)行調(diào)整的？答：靈敏度是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)做的，客戶可以對(duì)不同狀況下的值進(jìn)行記錄，然后保存到flash中，這樣實(shí)際使用時(shí)，不同狀況下，系統(tǒng)會(huì)用不同值來(lái)工作，實(shí)現(xiàn)適合的靈敏度。靈敏度是設(shè)計(jì)時(shí)確

11、定的，也可以設(shè)計(jì)成自學(xué)習(xí)型的。問(wèn)：一個(gè)開關(guān)需要一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)比較器，多個(gè)開關(guān)是共用定時(shí)器和比較器嗎？答：對(duì)于多個(gè)開關(guān)，采用一個(gè)多路復(fù)用器，就可以共同使用一個(gè)定時(shí)器和比較器了。問(wèn)：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(guò)檢測(cè)頻率或者周期來(lái)實(shí)現(xiàn)。而消除和區(qū)別誤觸摸，則要通過(guò)軟件上一些校準(zhǔn)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體的信息，可以登陸www.silabs.com下載詳細(xì)的參考應(yīng)用。問(wèn)：貴公司的電容式觸摸芯片有休眠功能嗎？如何喚醒