感應(yīng)按鍵原理

電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理電容式觸摸感應(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。

?以SiliconLabs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。

?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)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。總結(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%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)器和一答：對(duì)于多個(gè)開關(guān)，采用一個(gè)多路

個(gè)比較器，多個(gè)開關(guān)是共用定時(shí)器和比較器嗎復(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)10、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?，電容式的更好些。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，idlecapactianee"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)：c8051F9xx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，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1000~2000個(gè)系統(tǒng)時(shí)間周期/SYSCLK，故響應(yīng)時(shí)間小于為2*2000*1/=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，AN338Capacitive

TouchSense，也可以聯(lián)系我們益登科技相關(guān)辦事處，獲取詳細(xì)設(shè)計(jì)資料及指導(dǎo)。假如我需要開發(fā)電容式觸摸按鍵技術(shù)，請(qǐng)問(wèn)我應(yīng)該買什么開發(fā)工具和軟件答：可以購(gòu)買我們提供的C8051F931-basedToolStick與CapacitiveTouchSense，或者C8051F930DK等開發(fā)套件，套件中包含設(shè)計(jì)資料和參考代碼。電容式感應(yīng)按鍵電路設(shè)計(jì)流程及要點(diǎn)電容式觸控技術(shù)在廚房設(shè)備中的應(yīng)用已經(jīng)有幾年了，例如在烤箱和煎鍋的不透明玻璃面板后面采用分離按鍵實(shí)現(xiàn)。這些觸摸控制鍵逐漸替代了機(jī)械按鍵，因?yàn)楹笳呔哂惺褂脡勖?、不夠衛(wèi)生等方面的問(wèn)題，而且還有在面板上開孔安裝按鍵的相關(guān)成本，圖1是電容式感應(yīng)技術(shù)原理示意圖。電容式感應(yīng)技術(shù)由于具有耐用、較易于低成本實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，而逐漸成為觸摸控制的首選技術(shù)。此外，由于具有可擴(kuò)展性，該技術(shù)還可以提供其它技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的用戶功能。在顯示屏上以軟按鍵方式提供用戶界面，這通常被稱為觸摸屏。觸摸輸入滾動(dòng)/指示功能器件，例如iPod音樂(lè)播放器上的點(diǎn)擊式轉(zhuǎn)盤，這類器件在消費(fèi)市場(chǎng)已經(jīng)獲得廣泛的認(rèn)可，正在逐漸出現(xiàn)在更多的消費(fèi)設(shè)備市場(chǎng)。有兩種基本類型的滾動(dòng)器件：第一種是絕對(duì)報(bào)告類型，提供直接位置輸出報(bào)告；另外一種是相對(duì)類型，這類器件提供用來(lái)增加或減少某個(gè)值的直接報(bào)告。使用電容式感應(yīng)的IC設(shè)計(jì)感應(yīng)開關(guān)電路板與其它電路的開發(fā)流程略有不同，因?yàn)殡娙菔介_關(guān)的設(shè)計(jì)上會(huì)受到機(jī)構(gòu)與其它電路設(shè)計(jì)上的影響，會(huì)有比較多的調(diào)整程序，所以需要一個(gè)比較復(fù)雜的開發(fā)流程，現(xiàn)就以出道較早且具有代表性的“Quantum”產(chǎn)品的開發(fā)流程及要點(diǎn)介紹給大家，希望對(duì)需要的朋友有所幫助。下圖是開發(fā)流程圖：1.Step1：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：

丄況幣不n?5krP6OLANTIJMSENSOR開盤龍鬼怖嫌闔H3切能丁姑功惦正甜&K|i2丄況幣不n?5krP6OLANTIJMSENSOR開盤龍鬼怖嫌闔H3切能丁姑功惦正甜&K|i2低橫棉港計(jì)訣宦述妙電厠的尺寸只片*WAUflhSU^AkxpT確宅!HQM6-1胡罡:蠱眾歸Skrt慣確沒(méi)卄Slj-p3婭耐価+rKM烈+庇怖綜面板的材質(zhì)必須是塑料，玻璃，等非導(dǎo)電物質(zhì)。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)階段同時(shí)也必需設(shè)計(jì)操作流程，以選擇合適的產(chǎn)品，如果是按鍵的產(chǎn)品，要考慮是否有復(fù)合按鍵的設(shè)計(jì)，或是綜合滑動(dòng)操作及按鍵操作等，如果是以滑動(dòng)操作的產(chǎn)品，就必須考慮是否需要切割出按鍵。由于感應(yīng)電極與面板接觸點(diǎn)之間不能有空隙，所以機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上必須考慮將感應(yīng)驗(yàn)路板直接黏貼在外殼面板的內(nèi)側(cè)，以及考慮面板的組裝方式。同樣的，感應(yīng)電極與手指之間不能有金屬層夾在中間，所以面板上不可以有金屬電鍍及含金屬超過(guò)15%的噴漆等會(huì)形成導(dǎo)電層的設(shè)計(jì)。如果必須電鍍或高金屬含量漆，請(qǐng)?jiān)诎存I區(qū)域的邊緣保留一圈不要電鍍或噴漆，用以隔絕其它感應(yīng)開關(guān)。

如果面板是有弧度而非平面，可以利用軟板、彈簧、導(dǎo)電橡皮等導(dǎo)電物將感應(yīng)電極延伸到面板上，并在面板內(nèi)側(cè)制造出感應(yīng)電極，如果面板與感應(yīng)電極之間有空隙也可以用這個(gè)方式填補(bǔ)空隙，或加厚感應(yīng)電極區(qū)域的面板。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的外殼厚度會(huì)影響感應(yīng)電極的大小，所以必須先完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能接續(xù)開發(fā)流程。如果感應(yīng)電路板后面有大片金屬或電路板，必須保留若干空隙，以避免靈敏度降低或干擾感應(yīng)電極，如果是金屬板，金屬板必須接地，空隙保留至少0.3mm以上，如果是電路板，盡量減少高頻電路經(jīng)過(guò)，并保留至少1.0mm的空隙。

有上述狀況的感應(yīng)電路板，雖然保留了足夠的間距，最好能將感應(yīng)電極再加大，以利后續(xù)調(diào)整靈敏度的步驟。感應(yīng)電極可以用電路板銅箔來(lái)做，亦可以采用FPC軟性電路板，ITO蝕刻,ORGACON印刷，銀漆印刷，石墨(CARBON)印刷等導(dǎo)電物質(zhì)。

2.Step2：決定感應(yīng)電極的尺寸：依照機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的面板厚度決定感應(yīng)電極的最小尺寸，面板厚度1mm時(shí)感應(yīng)電極最小3mm直徑的圓，面板厚度7mm時(shí)感應(yīng)電極最小10mm直徑的圓，在機(jī)構(gòu)及電路板空間的允許下盡量將感應(yīng)電極加大。感應(yīng)電極最小不可以小于1/3個(gè)手指的面積。注意感應(yīng)電極附近是否有金屬螺絲或鐵板等大型金屬物，如果有，必須將金屬物接地，并再加大感應(yīng)電極的面積，以避免靈敏度降低。如果在感應(yīng)電極中開孔加裝LED,必須加大感應(yīng)電極以彌補(bǔ)開孔所損失的面積，所以增加的感應(yīng)電極面積至少必須相等于開孔的面積。且揺蚯IB^ck-firiri^ /且揺蚯IB^ck-firiri^ /SP^ITLED 厶ElertnodeClearorirsnsluc&nt/adhesiveOtherSWTcampaneni5感應(yīng)電極可以是任何形狀,但是盡可能采用圓形或方形,如果必須利用所有的空間來(lái)增加感應(yīng)電極的面積,盡量避免將感應(yīng)電極設(shè)計(jì)成狹長(zhǎng)的形狀。3.Step3：感應(yīng)電路板電路設(shè)計(jì)及布線：電路設(shè)計(jì)以IC規(guī)格書內(nèi)的范例電路為基礎(chǔ)即可。

必須利用穩(wěn)壓IC(VOLTAGEREGULATOR)來(lái)確保QUANTUMIC的電源是干凈沒(méi)有噪聲的。感應(yīng)電極附屬的電阻與電容要盡量靠近IC,如果是雙面板或是多層板，在電阻與電容的下方盡量避免通過(guò)高頻線路，鋪設(shè)地線，或是比較寬的線路。如果是單層板，感應(yīng)電極附近不要有高頻線路，其它線路也盡量遠(yuǎn)離感應(yīng)電極及其聯(lián)機(jī)。如果選用的IC有AKS功能，請(qǐng)盡量采用此功能以減少鄰近的感應(yīng)電極互相干擾。如果沒(méi)有開啟AKS功能，在感應(yīng)電極及其聯(lián)機(jī)之間加一條地線，也可以減少鄰近的感應(yīng)電極之間的互相干擾，地線必須放置在鄰近的兩個(gè)感應(yīng)電極的中央，線寬不要超過(guò)兩個(gè)感應(yīng)電極間距的1/5，或是用地線將感應(yīng)電極及其聯(lián)機(jī)圍繞隔開，但是原則上圍繞的地線離的越遠(yuǎn)越好?！觥鰪母袘?yīng)電極的附屬零件到感應(yīng)電極的之間的線路以最小線寬來(lái)鋪設(shè)即可，感應(yīng)電極的聯(lián)機(jī)與其它線路至少間距線寬的5倍以上，感應(yīng)電極的聯(lián)機(jī)與另一個(gè)感應(yīng)電極的聯(lián)機(jī)之間的距離則是越遠(yuǎn)越好，最近距離為線寬的2倍以上。如果無(wú)法達(dá)到聯(lián)機(jī)之間的間距，最好在線與線之間用一條地線作隔離，用最小的線寬來(lái)鋪設(shè)地線即可，線距采用一般安全間距。從感應(yīng)電極的附屬零件到感應(yīng)電極聯(lián)機(jī)最長(zhǎng)不要超過(guò)30cm，感應(yīng)電極的的線路可以經(jīng)過(guò)感應(yīng)電極的下方，避免圍繞在其它感應(yīng)電極的周邊。

感應(yīng)電極聯(lián)機(jī)的下方盡量避免通過(guò)高頻線路，鋪設(shè)地線，或是比較寬的線路，如果難以避免，盡量以交錯(cuò)通過(guò)，其它線路盡量不要與感應(yīng)電極聯(lián)機(jī)平行。如果確實(shí)需要減少來(lái)自感應(yīng)電極下方的干擾而需要鋪設(shè)地線的話，不要鋪設(shè)整片實(shí)體的地線，用網(wǎng)格狀鋪銅，網(wǎng)格1.27mm以上，網(wǎng)格線用最小線寬來(lái)布線，同時(shí)要注意網(wǎng)格邊線不要與感應(yīng)電極靠的太近。人體的自然電容量約5pF?30pF之間，布線的最終原則就是不要超過(guò)人體自然電容量的最小值5pF。4.Step4：測(cè)試電路板：這個(gè)階段主要是測(cè)試電路板的布線是否正確，感應(yīng)動(dòng)作是否正常。在此階段只需要大概的調(diào)整靈敏度，不需要精確調(diào)整，因?yàn)楫?dāng)電路板裝入機(jī)殼之后會(huì)再變化。測(cè)試時(shí)必須特別注意電路板的放置，測(cè)試電路板不可以直接放在桌面上，也不可以在測(cè)試按壓時(shí)有晃動(dòng)的現(xiàn)象，理想的測(cè)試環(huán)境是黏貼上面板或與面板相同厚度及材料的替代面板，再加上橡膠腳墊架高電路板，同時(shí)可以穩(wěn)固電路板。測(cè)試的電路板必須沒(méi)有跳線，如果有跳線，必須是與感應(yīng)開關(guān)電路無(wú)關(guān)的，而且不可以經(jīng)過(guò)感應(yīng)IC及其附屬電路，也不可以在感應(yīng)電極附近。如果測(cè)試不良，進(jìn)入Step4-1確定不良原因，如果用手直接觸摸感應(yīng)電極可以正常動(dòng)作，可以確定為靈敏度不良。如果感應(yīng)開關(guān)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)，或觸發(fā)后很久才釋放，先檢查電源是否穩(wěn)定，如果電源是穩(wěn)定的則可能是過(guò)度靈敏，將Cs電容數(shù)值減少降低靈敏度再測(cè)試。如果是屬于布線不良或布線錯(cuò)誤，回到Step3重新布線。只要將靈敏度調(diào)整到不會(huì)有不穩(wěn)定或不動(dòng)作的現(xiàn)象就可以進(jìn)入下一階段再調(diào)整靈敏度。Step5：裝入機(jī)殼內(nèi)：感應(yīng)電路板裝入機(jī)殼內(nèi)測(cè)試是必須的步驟，可以是手工機(jī)殼，試模機(jī)殼最好是量產(chǎn)機(jī)殼，機(jī)殼外部的印刷及噴漆必須與量產(chǎn)時(shí)的漆料相同。機(jī)殼內(nèi)的組件必須齊全，最好其它電路板都已經(jīng)安裝妥當(dāng)，且可以接上電源工作，其它電路板工作正常與否無(wú)關(guān)緊要，只要可以測(cè)試按鍵動(dòng)作即可。測(cè)試階段可以用一般無(wú)基材雙面膠黏貼，但是正式量產(chǎn)建議采用3M468MP或NITTO818無(wú)基材雙面膠。Step6：測(cè)試靈敏度：適當(dāng)?shù)撵`敏度是手指輕輕接觸到面板，感應(yīng)開關(guān)有動(dòng)作發(fā)生，如果需要用很大的力氣按壓面板感應(yīng)開關(guān)才