基于8位MCU的触摸按键解决方案

文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.基于 8 位 MCU 的触摸按键解决方案前言在需要用户界面的应用方案中，传统的机电开关正在被电容式触摸 感应控制所替代。Sino wealth 已经开发了一套触摸感应软件，使得任意一款8 位的中颖微控制器都可以作为一个 电容 式触摸按键控制器使用。通过对由一个电阻和触摸电极电容组成的RC 充放电时间的控制，该触摸感应软件可以检测到人手的触摸。由于电极电容的改变，导致的 RC 充放电时间的改变，能够被检测出来，然后经过滤波等，最终通过专用的I/O 端口，或者 I2C/SPI接口发送给主机系统。该软件库所需的元器件BOM 表，成本低廉，因为每个通道只需要两个电阻就可以实现触摸检测功能RC 感应原理RC 采样原理就是通过测量触摸电极电容的微小变化，来感知人体对电容式触摸感应器(按键、滚轮或者滑条)的触摸。电极电容(C)通过一个固定的电阻(R)周期性地充放电。电容值取决于以下几个参数：电极面积(A)，绝缘体相对介电常数，空气相对湿度，以及两个电极之间的距离(d)。电容值可由下列公式得出：图1:RC电压检测。固定电压施加在，的电压随着电容值的变化而相应增加或者降低，如图 2 所示。图2：测量充电时间。通过计算 VOUT的电压达到阀值VTH所需要的充电时间(TC)，来得到电容值(C)。在触摸感应应用中，电容值(C)由两部分组成：固定电容(电极电容，CX)和当人手接触或者靠近电极时，由人手带来的电容(感应电容，CT)。电极电容应该尽可能的小，以保证检测到人手触摸。因为通常人手触摸与否，带来的电容变化一般就是几个pF(通常 5pF)。利用该原理，就可以检测到手指是否触摸了电极。文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.图3：触摸感应。这就是用于检测人手触摸的触摸感应软件中感应层所采用的基本原理。硬件实现图 4 显示了一个实现的实例。由R1，R2 以及电容电极(CX)和手指电容(CT)并联的电容(大约 5pF)形成一个RC 网络，通过对该 RC 网络充放电时间的测量，可以检测到人手的触摸。所有电极共享一个“负载 I/O”引脚。电阻 R1 和 R2 尽量靠近MCU 放置。电容 R1(阻值在几百欧到几兆欧之间)是主要电容，用于调节触摸检测的灵敏度。电容R2(10K)是可选的，用于减少对噪声影响。图4:电容触摸感应实现实例。3 软件实现本章描述了触摸感应RC 原理的实现。文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.3.1 充电时间测量原理为了保证健壮的电容触摸感应的应用，充电时间的测量需要足够的精确。采用一个简单的定时器(无需 IC 功能)和一系列简单的软件操作，即定时地检查感应I/O 端口上的电压是否达到阀值。这样的话，时间测量的精确度就取决于执行一次完整软件查询需要的 CPU 周期数。这种测量方法会由于多次测量带来一些抖动，但是由于没有硬件限制，这种方法适用于需要很多电极的场合。基本测量使用普通定时器进行充电时间的测量。对电容充电开始之前，定时器的计数器数值被记录下来。当采样I/O 端口上的电压达到某个阀值(VTH)时，再次记录定时器计数器的值。二者之差就是充电或者放电的时间。图5：定时器计数器值。过采样过采样的目的是以CPU 时钟的精度，对输入电压达到高电平和低电平(VIH和 VIL)的时间测量。为了跨越所有的取值范围，每次测量都比上一次测量延迟一个CPU 时钟周期的时间。为了跨越所有的取值范围，测量的次数是和MCU 核相关的。图6 说明了这个概念的应用情况。文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.图6：输入电压测量。输入电压测量的原理为了提高在电压和温度变动情况下的稳定性，对电极会进行连续两次的测量：第一次测量对电容的充电时间，直到输入电压升至VIH。第二次测量电容的放电时间，直到输入电压降至VIL。下图以及以下的表格详细说明了对感应电极(感应 I/O)和负载 I/O 引脚上的操作流程。图7：电容充放电时间测量。表 2 电容充放电测量步骤触摸的效果电极的电容值(CX)取决于以下几个主要因素：电极的形状、大小，触摸感应控制器到电极之间的布线(尤其是地耦合)，以及介电面板的材料和厚度。因此，RC 充放电时间直接和CX有关。图 8 说明了这种“触摸的效果”。时间(即达到了VIH电平的时刻)比长；同样对于降至VIL电平的时间也比长。文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.图8：触摸效果实例。多次测量以及高频噪声的去除为了提高测量的精确度，并去除高频噪声，有必要对VIH和 VIL进行多次的测量，然后再决定是否有按键被有效“触摸”。图9：测量的种类。注意：下图说明了去除噪声的实例。如果测量次数(N)设置为 4，那么对一个电极的完整测量将包括 4 次正确的“连续组测量”(BGs)。这些实例展示了不同噪声影响下的测量。绿色线条表示正确的VIH/VIL测量；而红色线条表示不正确的VIH/VIL测量。图 10 显示了没有噪声的影响，所有测量都有效的情况。这个例子中，每个连续组测量中的测量都有效，使得一个完整的测量很快就可以完成。图10：实例1。文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.图 11 显示了有一些噪声使得某些测量无效的情况(即 r1 和 r2)。在这个例子中，连续组测量 BG3 重复了好几次，直到其中的所有测量都有效，该次组测量才算通过。这样就需要较多的时间来完成一次完整的测量。图11：实例2。图 12 显示了有很多噪声，使得无效的组测量次数达到了最大限制(比如 20)。这样的话，整个电极测量都无效。这个例子中，达到了无效的组测量次数的最大限制，因此停止对该电极的测量。图12：实例3。