輸入部分電路的設(shè)計(jì),按鍵部分硬件電路部分應(yīng)用實(shí)例

1， 先得了解MCU 的功能及每一個(gè)管腳的作用，確定用什么樣的電源輸入，有無(wú)大電流負(fù)載及一些安規(guī)方面的要求，體積封裝大小有無(wú)規(guī)定.

2， 采用電池供電時(shí)是否要考慮做一些省電低功耗線路

3， 帶檢測(cè)功能的產(chǎn)品是否用到A/D功能，有無(wú)必要用到一些精密參考源，主要針對(duì)測(cè)量及充電電路，或是可否直接采用RC充放電線路來(lái)做模擬量檢測(cè), A/D通道轉(zhuǎn)換需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要作考量。為了保證每次A/D轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定與正確，最好在每次A/D轉(zhuǎn)換前都重新確定A/D轉(zhuǎn)換通道、A/D轉(zhuǎn)換分辨率、A/D時(shí)鐘源選擇位，而且根據(jù)所應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)所取得數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理。A/D轉(zhuǎn)換在硬件設(shè)計(jì)方面的注意事項(xiàng)：信號(hào)源要盡量與A/D轉(zhuǎn)換輸入端接近，而且要視芯片輸入阻抗添加合適的電容并入信號(hào)源輸入端。此外需保證A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定，模擬地與數(shù)字地要分開(kāi)或隔離。

4， 操作時(shí)有多少個(gè)按鍵，能否采用跟其他I/O口復(fù)用，按鍵是否采用喚醒功能，即采用帶有喚醒功能的I/O口，按鍵輸入可否采用矩陣掃描,以便節(jié)省單片機(jī)的I/O

5， 輸出指示能否跟輸出控制I/O復(fù)用，這樣可以節(jié)省I/O，但要考慮到輸出電流的大小，不能影響負(fù)載的正常輸出控制

6， 有無(wú)精確度要求較高的定時(shí)，用來(lái)確定采用什么樣的振蕩源( 晶振，陶振及RC)

7， 復(fù)位電路的選取,I/O不夠時(shí)能否采用內(nèi)部復(fù)位, 芯片的上電復(fù)位時(shí)間與系統(tǒng)電壓上升速度，外部振蕩器頻率、種類及外部Reset 電路造成的delay都有關(guān)聯(lián)。

8， 有無(wú)顯示電路，是LED還是LCD，是否必要采用外掛驅(qū)動(dòng)IC 或直接采用i/o推動(dòng)，一般采用I/O推動(dòng)的 LCD都采用1/2 偏壓

9， 大電流負(fù)載輸出采用mos管，繼電器還是可控硅控制,當(dāng)輸出為可控硅時(shí)，是否采用共地或共電源控制，或是直接用耦合或用光電耦合，同時(shí)得考慮是否要用到到同步信號(hào)做一些調(diào)速、調(diào)光、調(diào)功、調(diào)溫度待可調(diào)的功能（同時(shí)些交流同步信號(hào)也可以做一些定時(shí)產(chǎn)品的參考)

10， 輸入盡可能放在同一I/O，輸出放在同一I/O，同時(shí)應(yīng)該考慮到PCB布線，輸入輸出保護(hù)電阻應(yīng)盡可能靠近I/O口

11， I/O口內(nèi)部有無(wú)上拉電阻,有些I/O只能做單一的輸入且無(wú)上拉電阻

12， 對(duì)空閑口的設(shè)置，空閑口一般設(shè)定為輸入上拉或輸出低電平。對(duì)ADC I/O通道，應(yīng)用P4CON的設(shè)定，可以避免I/O口的漏電流。對(duì)于不同的外部硬件電路，考慮I/O的狀態(tài)設(shè)置，設(shè)定不當(dāng)，會(huì)有漏電流，特別 注意上拉電阻的正確設(shè)定，若 I/O 在 outputlow level, 又將pull-up enable會(huì)造成漏電, 例如: VDD=5V 會(huì)有約 5V / 100K = 50uA 漏電.

輸入部分電路的設(shè)計(jì)

按鍵部分硬件電路部分應(yīng)用實(shí)例

普通獨(dú)立按鍵：

圖中S1、S2、S3為常用的三種按鍵，其中S3接在U1第4腳為低電平觸發(fā)腳有效，因?yàn)閁1第4腳內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，所以得在U1第4腳外面接一上拉電阻以確保在不按下按鍵時(shí)讓U1第4腳維持在高電平狀態(tài)，采用S2接法時(shí)，為高電平觸發(fā)有效，因這顆IC內(nèi)部沒(méi)有下拉電阻，所以得在U1第4腳外面接一下拉電阻以確保在不按下按鍵時(shí)讓U1第4腳維持在低電平狀態(tài)，S1因Ic內(nèi)部有上拉電阻，則不要外加器件。

純按鍵矩陣描按鍵：

電路中掃描口都得為雙向的I/O口，如此電路是用電池供電需要省電功能（讓ic進(jìn)睡眠模式），則將COM1、COM2或SEG口用到具有喚醒功能的I/O口即可。

LED矩陣描復(fù)用按鍵：

加二極管的按鍵復(fù)用1：

加二極管的按鍵復(fù)用2：

加二極管的按鍵復(fù)用3：

加電阻并聯(lián)型復(fù)用:

加電阻的按鍵復(fù)用：

上圖中按鍵同樣可以復(fù)用在COM口上!

采用移位寄存器的按鍵復(fù)用：

采用A/D功能的按鍵:

觸摸式按鍵:

在目前MCU應(yīng)用領(lǐng)域里，很多場(chǎng)合都離不開(kāi)開(kāi)關(guān)信號(hào)，這些開(kāi)關(guān)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)都是通過(guò)按鍵操作實(shí)現(xiàn)。而傳統(tǒng)的按鍵應(yīng)用最廣最普遍的就是機(jī)械式按鍵（或稱為B鍵），這一類按鍵的共同點(diǎn)就是透過(guò)金屬觸點(diǎn)來(lái)得到開(kāi)關(guān)信號(hào)，也正是這些共同點(diǎn)決定了機(jī)械式按鍵的應(yīng)用場(chǎng)合和使用壽命。如在一些帶有油煙或腐蝕性氣體的應(yīng)用場(chǎng)合；另外，在很多小家電應(yīng)用領(lǐng)域，也都是在模具表面開(kāi)孔，使用PVC膠來(lái)做按鍵觸摸點(diǎn)，這些PVC膠隨著使用時(shí)間的增加也很容易損壞。因此，目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種新型的按鍵輸入方式——觸摸式按鍵（或稱感應(yīng)型按鍵）。

顧名思義，這種按鍵輸入方式與傳統(tǒng)機(jī)械式按鍵不同，它不需要金屬觸點(diǎn)，取而代之的是感應(yīng)人體的觸摸動(dòng)作。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的觸摸按鍵方案中，多為采用MCU+專用IC以及只用MCU實(shí)現(xiàn)兩種，在MCU+專用IC方案中，具有代表性的觸摸信號(hào)專用IC是英國(guó)昆騰（QUANTUM）公司的QT系列IC，如QT1080就是帶有8路獨(dú)立觸摸按鍵輸入的處理芯片。但是使用MCU+專用IC方案面臨的一大挑戰(zhàn)就是其抗干擾能力不強(qiáng)以及其成本較高的問(wèn)題，也正是這一缺陷決定了在很多MCU應(yīng)用場(chǎng)合這種方案顯得有些無(wú)能為力了。下面就從應(yīng)用的角度對(duì)采用獨(dú)立MCU方案開(kāi)發(fā)感應(yīng)型按鍵的原理進(jìn)行討論。

一、 感應(yīng)型按鍵的電氣原理

這種感應(yīng)型按鍵的實(shí)現(xiàn)原理是基于電容對(duì)高頻脈沖信號(hào)的耦合特性，通常稱該電容為耦合電容。當(dāng)該耦合電容的容值發(fā)生改變時(shí)，經(jīng)過(guò)該電容耦合得到的高頻脈沖的高電平幅值將發(fā)生改變。如圖所示：

如圖所示，高頻信號(hào)OSC經(jīng)過(guò)電容C1耦合，再經(jīng)過(guò)電容C2濾波，這樣在K1點(diǎn)可以得到一直流信號(hào)；A點(diǎn)為按鍵電極連接點(diǎn)，電極的表面可以是一些如玻璃或塑料的絕緣物質(zhì)。當(dāng)人體透過(guò)電極表面的介質(zhì)觸摸按鍵時(shí)，此時(shí)人體、電極和這些介質(zhì)就等效成一個(gè)電容，該等效電容與耦合電容C1并聯(lián)，最終就相當(dāng)與改變了耦合電容的容值，從而經(jīng)由C1耦合得到的高頻脈沖的高電平幅值就將發(fā)生變化，在K1點(diǎn)得到的直流信號(hào)也將隨之發(fā)生改變。當(dāng)人體接觸按鍵時(shí)，K1點(diǎn)的電壓將降低。由MCU的AD口讀取K1點(diǎn)的電壓變化，便可知道按鍵與否。K1點(diǎn)的電壓變化范圍一般在幾十至一百毫伏范圍變化，這與電極表面的介質(zhì)和高頻信號(hào)的頻率有關(guān)。 在有些應(yīng)用中，由于K1點(diǎn)的電壓變化太小，通常還會(huì)在K1點(diǎn)接一級(jí)放大器，這樣MCU AD口端的電平變化范圍將相應(yīng)變大。由于SONiX 8bit MCU，至少提供12bit 的AD，所以在采用SONiX 8bit MCU開(kāi)發(fā)時(shí)并不需要增加一級(jí)放大電路。

針對(duì)上圖所示的參數(shù)，下面將給出A點(diǎn)在人體觸摸前后的波形變化（電極表面的介質(zhì)為壓克力板）。

人體觸摸前A點(diǎn)的波形

人體觸摸時(shí)A點(diǎn)的波形

對(duì)于高頻脈沖的產(chǎn)生，通常都在幾百KHz，根據(jù)具體的應(yīng)用可以有不同的選擇。常見(jiàn)的電路形式有采用NE555和CD4069：

通常SONiX的MCU都有提供至少一路PWM功能，根據(jù)應(yīng)用的需求，也可以采用該P(yáng)WM功能作為

高頻脈沖發(fā)生器。對(duì)于應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)按鍵數(shù)量超出MCU提供的AD通道數(shù)的情形，此時(shí)可以增加一模擬開(kāi)關(guān),如CD4051。

一、 感應(yīng)型按鍵的軟件實(shí)現(xiàn)

從上述電氣原理的討論中，可以看出，到達(dá)MCU AD口的直流信號(hào)并不是十分理想的直流信號(hào)，由于是經(jīng)由104電容濾波直接得到，其紋波系數(shù)很大，因此，在軟件的實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)充分考慮AD口信號(hào)的正常波動(dòng)。其次，程序判斷按鍵與否的根據(jù)是AD口信號(hào)變化的大小，當(dāng)AD值負(fù)變化達(dá)到給定量時(shí)，認(rèn)為有鍵按下；反之，AD值正變化達(dá)到給定量時(shí)，則認(rèn)為是按鍵彈起。

由于程序判定按鍵的根據(jù)是AD值的變化量，所以在程序中，還應(yīng)確定一個(gè)基準(zhǔn)值，所有的變化量都應(yīng)相對(duì)這個(gè)基準(zhǔn)值，一般情況下，在上電時(shí)應(yīng)將這個(gè)基準(zhǔn)值確定，或通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算出一個(gè)基準(zhǔn)值保存在程序中，但后者隨著使用時(shí)間的增加，可能會(huì)出現(xiàn)基準(zhǔn)值變化而導(dǎo)致按鍵失靈，最好的做法是將兩者都考慮進(jìn)去。

在程序中應(yīng)充分考慮對(duì)AD值做數(shù)字濾波處理，常見(jiàn)的數(shù)字濾波如滑動(dòng)平均值濾波和中位值濾波，在此不討論具體的濾波算法，可以參考相關(guān)的書(shū)籍。此外，程序中還應(yīng)做好按鍵去抖動(dòng)的動(dòng)作，這是任何形式的按鍵處理程序都應(yīng)考慮的。

通過(guò)以上對(duì)感應(yīng)型按鍵的原理的討論，重點(diǎn)在于如何使得整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，即抗干擾能力要強(qiáng)，這主要與程序編制有關(guān)。所以，關(guān)鍵的還是強(qiáng)調(diào)程序處理。本人按照上面討論的原理，有做一跑馬燈DEMO，可以輕松通過(guò)EFT日規(guī)2000V測(cè)試。

一種簡(jiǎn)易的接觸式觸摸電路：

直接采用人體感應(yīng)電壓去改變輸入檢測(cè)口的電平做按鍵檢測(cè)，此電路穩(wěn)定性比較差，但成本低，圖中的觸摸開(kāi)關(guān)為一導(dǎo)體。

常見(jiàn)的單片機(jī)輸入部分線路:

風(fēng)扇外殼觸摸保檢測(cè)電路:

高靈敏度MIC聲控線路:

R9可以調(diào)節(jié)靈敏度

單管mic放大電路：

壓電陶瓷蜂鳴片聲控電路:

帶自動(dòng)增益控制的隨音樂(lè)變化轉(zhuǎn)換電路: