與傳統的機械式按鍵相比，電容式觸摸感應按鍵美觀(guān)、耐用、壽命長(cháng)。電容式觸摸感應按鍵實(shí)際只是PCB上的一小塊“覆銅焊盤(pán)”，與四周“地信號”構成一個(gè)感應電容，觸摸該按鍵會(huì )影響該電容值�，F在檢測電容值的方法有很多種，如電流與電壓相位差檢測、由電容構成的振蕩器頻率檢測、電容橋電荷轉換檢測。而這里則是利用感應電容與電阻構成的RC回路，檢測充放電時(shí)間的變化量，不需要專(zhuān)用檢測電路，成本低廉。
1 檢測原理
電容式觸摸按鍵電路的原理構成如圖1所示，按鍵即是一個(gè)焊盤(pán)，與地構成一個(gè)感應電容，在周?chē)h(huán)境不變的情況下電容值固定為微小值，具有固定的充放電時(shí)間，而當有一個(gè)導體向電極靠近時(shí)，會(huì )形成耦合電容，這樣就會(huì )改變固有的充放電時(shí)間，而手指就是這樣的導體。通過(guò)測量充放電時(shí)間的改變即可檢測是否有按鍵被按下。充放電時(shí)間的計算公式如下：
式中，t，R，C分別為充放電時(shí)間，電阻值，電容值；V1為充放電終止電壓值；V2為充放電起始電壓值；Vt為充放電t時(shí)刻電容上的電壓值。
首先，開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)的狀態(tài)下該按鍵被下拉電阻拉低，電勢為0 V，這時(shí)開(kāi)關(guān)閉合開(kāi)始對按鍵充電，等充滿(mǎn)電穩定后再斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，這時(shí)按鍵開(kāi)始放電，并用定時(shí)器記錄這段放電時(shí)間為t1，反復該過(guò)程。當有手指觸碰按鍵時(shí)，放電時(shí)間會(huì )改變?yōu)閠2，如圖2所示，由此即可判斷出手指是否觸摸到該按鍵。
2 檢測電路設計
該檢測電路由MSP430F1121A作為主控制器，由JTAG接口在線(xiàn)仿真調試，鍵盤(pán)分為單個(gè)觸摸按鍵檢測和矩陣觸摸按鍵檢測兩部分，如圖3所示。其占用的單片機資源包括帶有中斷功能的GPIO口和定時(shí)計數器。
2．1 單個(gè)觸摸按鍵檢測
圖3中連接單片機P2．5引腳的KeyPad與電阻R5構成一個(gè)RC充放電回路，這里由單片機的P2．5引腳控制電容的充放電，其作用相當于圖1中的開(kāi)關(guān)。實(shí)際的電路板中KeyPad與周?chē)氨趁娴母层~構成電容，P2．5置為高電平，給KeyPad充電，等到穩定后將P2．5引腳置為輸入，并使能中斷功能，且設為下降沿觸發(fā)，這時(shí)KeyPad上的電荷會(huì )由R5對地放電，多次測量放電時(shí)間，作為基準放電時(shí)間。當手指觸碰時(shí)，放電時(shí)間會(huì )改變，反復實(shí)驗測出合理的閾值。以后檢測到放電時(shí)間超過(guò)這一閾值，則說(shuō)明有按鍵按下。為精確測量充放電時(shí)間，要使充放電電流很小，放電的電阻在兆數量級，這里選用6．1 MΩ的電阻，MSP430引腳設為輸入時(shí)的漏電流為50 nA，對放電回路可以忽略。
2．2 矩陣觸摸按鍵檢測
MSP430的P1．0～P1．3和P2．0～P2．3分別連接到PAD1～PAD4和PAD5～PAD8構成一個(gè)4x4的鍵盤(pán)矩陣，按鍵從A～P，如圖3所示。兩兩焊盤(pán)交匯處即是一個(gè)按鍵。在掃描過(guò)程中如果PAD2與PAD7的掃描結果超出閾值，則說(shuō)明其交匯處(即按鍵G)被按下。需要注意的是其充放電過(guò)程有所變化，不再是單一的電容對地放電，而是兩個(gè)焊盤(pán)間互相充放電。例如行掃描的PAD1與PAD2通過(guò)R1由引腳P1．0和P1．1互相充放電。對于PAD1的檢測過(guò)程如下：1)將P1．O設為輸出低電平，P1．1設為輸出高電平，待穩定；2)將P1．0設置為輸入并啟動(dòng)P1．0的上升沿觸發(fā)中斷功能，定時(shí)器開(kāi)始計時(shí)；3)待到PAD1充電到達觸發(fā)電平上限，產(chǎn)生中斷，停止計時(shí)，算出按鍵1的充電時(shí)間t+；4)將P1．0設為輸出高電平，P1．1設為輸出低電平，待穩定；5)將P1．1設置為輸入并肩動(dòng)P1．0的下降沿觸發(fā)中斷功能，定時(shí)器開(kāi)始計時(shí)；6)待到PAD1放電到達觸發(fā)電平下限，產(chǎn)生中斷，停止計時(shí)，算出按鍵1的放電時(shí)間t_；7)利用t+和t_求出按鍵1的平均充放電時(shí)間tbase，并作為基準值；8)按照步驟1)～步驟6)不斷檢測充放電時(shí)間t，并與基準值tbase作比較，如果其差值超出某一閾值，則可以判斷有按鍵被按下；9)用同樣的步驟計算PAD2的充放電時(shí)間，完成PAD1和PAD2的充放電掃描。10)同理，分別由PAD3和PAD4、PAD5和PAD6、PAD7和PAD8構成充放電電極對，檢測其充放電時(shí)間。利用這種結構可構成規模較大的低成本觸摸鍵盤(pán)矩陣，而不需專(zhuān)用芯片。電路中用充放電時(shí)間平均值代替放電時(shí)間平均值，更能增強抗干擾性。
3 軟件程序設計
軟件設計最主要的是基于以上步驟不斷對鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，除此之外由于觸摸按鍵的電容值會(huì )受環(huán)境的影響而變化，尤其是溫度和濕度的影響，因此能跟蹤環(huán)境變化及時(shí)校正基本充放電時(shí)間tbase很必要，整體軟件設計如圖4所示。
如果控制器發(fā)現很長(cháng)時(shí)間內沒(méi)有按鍵被按下(這里設為60 s)，就開(kāi)始啟動(dòng)校正功能，重新掃描鍵盤(pán)，獲取新的充放電時(shí)間，并作為基準值，這樣可以克服環(huán)境變化帶來(lái)的影響。
4 PCB設計與布局
鍵盤(pán)可以做成任意形狀，但為盡量避免尖端放電效應，應盡可能采用圓弧形作為邊緣，對于單個(gè)按鍵一般設計成直徑10 mm的圓形，尺寸過(guò)小會(huì )使得檢測信號微弱，不利于檢測，尺寸過(guò)大會(huì )使未碰觸時(shí)和碰觸時(shí)電容量的差值降低，而設計時(shí)盡量使差異值最大化，所以按鍵既不能過(guò)大也不能過(guò)小。對于矩陣按鍵，應設計成相互交叉的手指狀。各個(gè)感應盤(pán)的形狀、面積應該相同，以保證靈敏度一致。各觸摸按鍵之間應盡量遠一點(diǎn)，以減少相互間的干擾，可用覆地隔開(kāi)，通常按鍵與地信號間有O．5 mm的間隙，在按鍵的背面也覆一層地，以減少電磁干擾。觸摸按鍵的連接線(xiàn)應盡量的細，不要跨越其他的信號線(xiàn)，尤其是高頻、強干擾的信號線(xiàn)。
5 結束語(yǔ)
觸摸式按鍵的應用越來(lái)越廣泛，如何有效地降低制造成本是產(chǎn)品研發(fā)中必須考慮的問(wèn)題，而電容式觸摸按鍵的檢測方法有多種，本論文中用到的硬件設計利用檢測RC電路充放電時(shí)間的原理以判別按鍵是否被按下，不僅可以檢測單個(gè)按鍵，還可以檢測矩陣按鍵，檢測電路僅由電阻電容構成的充放電回路及單片機組成，替代了專(zhuān)用的檢測芯片，這樣簡(jiǎn)單、易用，且有效地降低了硬件成本。 |
