Silicon Labs電容式觸摸感應(yīng)按鍵技術(shù)原理及應(yīng)用

1、Silicon Labs電容式觸摸感應(yīng)按鍵技術(shù)原理及應(yīng)用來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)輸入原作者市場(chǎng)上的消費(fèi)電子產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)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)，Silicon Labs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(Capacitive Touch Sense)方案。電容式觸摸感應(yīng)按鍵開(kāi)關(guān)，內(nèi)部是一個(gè)以電容器為基礎(chǔ)的開(kāi)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Silicon Labs 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

2、蕩器。如果不觸摸開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)便被視作為被按壓。 (二)也可以測(cè)量周期，即在固定次數(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(kāi)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。 Silicon Labs推出的C8051F9xx微控制器(MCU)系

3、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(kāi)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。 以Silicon Labs的MCU實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵 利用Silicon Labs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(kāi)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，Silicon Labs其它MCU系列可直接連接12個(gè)開(kāi)關(guān)，或者通過(guò)外部模擬多路復(fù)用器連接更多開(kāi)關(guān)。 設(shè)計(jì)

4、觸摸感應(yīng)按鍵開(kāi)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?，F(xiàn)在，有三個(gè)主要因素會(huì)影響開(kāi)關(guān)電容及變化幅度。 PCB上開(kāi)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(kāi)關(guān)和MCU的走線特性 我們測(cè)試了下圖中這12種不同開(kāi)關(guān)。目的是為了發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的形狀尺寸會(huì)如何影響開(kāi)關(guān)的空閑和被接觸的狀態(tài)，還可以發(fā)現(xiàn)哪一種開(kāi)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(kāi)關(guān)越大且走線越多，則此開(kāi)關(guān)的閑置電容便越高。圖中的環(huán)狀開(kāi)關(guān)具有最低的電容，所以當(dāng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，可顯現(xiàn)最大的電容相對(duì)變化。 開(kāi)關(guān)的形狀尺寸會(huì)如何影響開(kāi)關(guān)的空閑和被接觸的狀態(tài) 由于開(kāi)關(guān)上方的

5、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(kāi)關(guān)的絕對(duì)電容。 總結(jié) Silicon Labs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(kāi)銷(overhead)。設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)關(guān)僅需443字節(jié)碼空間，每多增加一個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)動(dòng)作?？傮w只占用低于0.05% 的CPU資源。 其次

6、，沒(méi)有外部硬件開(kāi)銷?？梢詫㈤_(kāi)關(guān)走線直接連至MCU端口管腳，無(wú)須其它外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(kāi)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50/60 Hz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Silicon Labs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)確定的，也可以

7、設(shè)計(jì)成自學(xué)習(xí)型的。問(wèn)：一個(gè)開(kāi)關(guān)需要一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)比較器，多個(gè)開(kāi)關(guān)是共用定時(shí)器和比較器嗎？答：對(duì)于多個(gè)開(kāi)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？答：有休眠功能，我們F9xx系列單片機(jī)支持sleep、suspend睡眠狀態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)IO、外部中斷、比較器等喚醒。問(wèn)：和電阻式觸摸按鍵相比，電容式觸摸按鍵有哪些優(yōu)點(diǎn)，是否存在不足？答：電阻式的

8、要用A/D采樣，并且人的電阻很大，采樣比較困難，每個(gè)人的電阻差異也很大?？垢煞矫妫娙菔降母靡恍?。問(wèn)：我的手要在按鍵放多久才能被檢測(cè)?答：人的動(dòng)作是以百毫秒來(lái)計(jì)算的，而IC內(nèi)部檢測(cè)是否有按鍵按下的時(shí)間通過(guò)數(shù)千個(gè)機(jī)器周期就可以確定，時(shí)間等級(jí)差很多。因此基本上手一放上去就會(huì)被檢測(cè)到。問(wèn)：電容式觸摸按鍵有沒(méi)有防水防潮設(shè)計(jì)，如果使用環(huán)境在一些潮濕場(chǎng)所，例如啤酒生產(chǎn)，使用電容式觸摸按鍵是否合適？答：你可以在電容式觸摸按鍵的外面加一層塑料或其他介質(zhì)進(jìn)行保護(hù)。另外，當(dāng)按鍵受到污染，空閑電容，idle capactiance變大時(shí)，你可使用算法來(lái)刷新/標(biāo)定你的檢測(cè)門限(重新標(biāo)定時(shí)間常數(shù)，RC) 。問(wèn)：c80

9、51F9xx可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多少路的按鍵動(dòng)作？處理速度能達(dá)到多少？答：C8051F9xx最高速度是24.5MHz，電容感應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間是由電容充放電時(shí)間決定的，即與時(shí)間常數(shù)有關(guān)。一般一個(gè)周期為10002000個(gè)系統(tǒng)時(shí)間周期/SYSCLK， 故響應(yīng)時(shí)間小于為2*2000*1/24.5MHz = 160uS。人的動(dòng)作為上百mS級(jí)的，MCU有足夠的時(shí)間去處理按鍵響應(yīng)。由于受到I/O口的限制，C8051F9xx最多能做到23個(gè)按鍵。為了提高按鍵的抗干擾能力，在繪制PCB圖時(shí)應(yīng)注意哪些問(wèn)題？答：按鍵與單片機(jī)IO間走線需要越短越好。為了提高按鍵的靈敏度和準(zhǔn)確度，編程時(shí)應(yīng)如何如何對(duì)其進(jìn)行處理？答：靈敏度和準(zhǔn)確度是相反的一組值。你必須要自己選一個(gè)中間值來(lái)平衡。如果我想更多的了解和學(xué)習(xí)電容式觸摸按鍵技術(shù)，請(qǐng)問(wèn)有無(wú)相關(guān)書記和資料課提供？謝謝答：有的，我們有電容按鍵的參考設(shè)計(jì)，包含軟硬件以及源代碼。請(qǐng)到網(wǎng)站上下載應(yīng)用文檔，AN338 Capacitive Touch Sense Solution.pdf，也可以聯(lián)系我們