本文介紹意法半導體的8位STM8微控制器實(shí)現的電容感應式觸摸按鍵原理，以及在電磁爐應用中的觸摸按鍵解決方案。該方案具有低成本，環(huán)境自適應，防水及防電磁干擾等特點(diǎn)，在低品質(zhì)電網(wǎng)環(huán)境中也能可靠工作。

一、 引言

相較于機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，機構簡(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，因為沒(méi)有機械構造，所有的檢測都是電量的微小變化，所以對各種干擾敏感得多。ST針對家電應用特別是電磁爐應用，推出了一個(gè)基于STM8系列8位通用微控制器平臺的電容式觸摸感應方案，無(wú)需增加專(zhuān)用觸摸芯片，僅用簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現電容式觸摸感應功能，方便客戶(hù)二次開(kāi)發(fā)。

二、方案介紹

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

圖1 STM8S電容式觸摸按鍵的工作原理

電磁爐是采用磁場(chǎng)感應電流的加熱原理對食物進(jìn)行加熱。加熱時(shí)，通過(guò)面板下方的線(xiàn)圈產(chǎn)生強磁場(chǎng)，磁力線(xiàn)穿過(guò)導磁體做的鍋的底部時(shí)，鍋具切割交變磁力線(xiàn)而在鍋具底部產(chǎn)生渦流使鍋底迅速發(fā)熱，達到加熱食物的目的。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接口方便工程師調試之用（如圖2）。

STM8S105S4采用的是ST高級STM8內核，具備3級流水線(xiàn)的哈佛結構，3.0~5.5V工作電壓，內部16MHz RC可提供MCU 16MHz工作頻率，提供低功耗模式和外設時(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30萬(wàn)次擦寫(xiě)次數的1KB EEPROM數據存儲器。

圖2 電磁爐按鍵板原理

三、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)，也對電路板上感應電極正向或反向的電流，從而會(huì )縮短或增長(cháng)按鍵充放電時(shí)間，會(huì )對按鍵的檢測造成很大影響，甚至產(chǎn)生誤動(dòng)作，常見(jiàn)的方法采用硬件屏蔽和過(guò)零點(diǎn)檢測來(lái)消除電磁輻射對按鍵的影響。

硬件屏蔽

在STM8S的解決方案中，ST提供了感應電極和走線(xiàn)的設計規范和如圖3所示的Driven Shield功能（在Shield線(xiàn)上提供與按鍵管腳相同的驅動(dòng)信號，電極與Shield之間的寄生電容就不會(huì )被充放電），能有效地減少感應電極走線(xiàn)的寄生電容對按鍵靈敏度的影響。

圖3 Driven Shield

過(guò)零點(diǎn)檢測

1)硬件過(guò)零點(diǎn)檢測

過(guò)零點(diǎn)檢測可采用硬件實(shí)現，在硬件設計中，可以增加如圖4 或圖5過(guò)零點(diǎn)的硬件檢測電路，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)候對觸摸按鍵進(jìn)行檢測。

圖4 硬件過(guò)零點(diǎn)檢測電路1

圖5 硬件過(guò)零點(diǎn)檢測電路2

2)軟件過(guò)零點(diǎn)檢測

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

2. 電網(wǎng)干擾

因為國內電網(wǎng)質(zhì)量不一，在一些質(zhì)量差的地區，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(méi)有開(kāi)功率的情況下的，當電磁爐工作時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射將會(huì )使看到的信號更加雜亂無(wú)章。在實(shí)驗中發(fā)現，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。

3. 濺水，濺油的影響

在電磁爐的使用當中，常常會(huì )出現水或油濺到觸摸面板上，它可能導致按鍵誤觸發(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)區分開(kāi)。

4. 環(huán)境自適應能力

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(zhù)使用時(shí)間的推移，包括玻璃面板、PCB板都會(huì )出現不同程序的老化，從而影響按鍵檢測的準確度。在ST的解決方案中，實(shí)現了自動(dòng)校準功能，實(shí)時(shí)地提供環(huán)境檢測，實(shí)現環(huán)境自適應的機制。

四、總結

ST提供的解決方案包含了觸摸面板自校準、軟件濾波、軟件過(guò)零點(diǎn)檢測及環(huán)境自適應等功能，盡可能地使用軟件算法去屏蔽各種復雜環(huán)境的干擾，具有低成本及工作可靠等特點(diǎn)。當然在其他產(chǎn)品的應用中，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)處理各種應用情況。

五、參考文獻

1. ST, Guidelines for designing touch sensing applications, April 2010
2. ST, RC acquisition principle for touch sensing applications, March 2009