如何設(shè)計一個8位MCU的觸摸按鍵？

前言

MCU（Micro Controller Unit）中文名稱為多點控制單元，又稱單片微型計算機（Single Chip Microcomputer），是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。

在需要用戶界面的應(yīng)用方案中，傳統(tǒng)的機電開關(guān)正在被電容式觸摸感應(yīng)控制所替代。通過對由一個電阻和觸摸電極電容組成的RC充放電時間的控制，該觸摸感應(yīng)軟件可以檢測到人手的觸摸。由于電極電容的改變，導(dǎo)致的RC充放電時間的改變，能夠被檢測出來，然后經(jīng)過濾波等，最終通過專用的I/O端口，或者I2C/SPI接口發(fā)送給主機系統(tǒng)。該軟件庫所需的元器件BOM表，成本低廉，因為每個通道只需要兩個電阻就可以實現(xiàn)觸摸檢測功能。

1 RC感應(yīng)原理

RC采樣原理就是通過測量觸摸電極電容的微小變化，來感知人體對電容式觸摸感應(yīng)器（按鍵、滾輪或者滑條）的觸摸。

電極電容（C）通過一個固定的電阻（R）周期性地充放電。 電容值取決于以下幾個參數(shù)：電極面積（A），絕緣體相對介電常數(shù)（ ），空氣相對濕度（ ），以及兩個電極之間的距離（d）。電容值可由下列公式得出：

圖1 RC電壓檢測

固定電壓施加在 ， 的電壓隨著電容值的變化而相應(yīng)增加或者降低， 如圖2所示。

圖2 測量充電時間

通過計算 的電壓達(dá)到閥值 所需要的充電時間（ ），來得到電容值（C）。 在觸摸感應(yīng)應(yīng)用中，電容值（C）由兩部分組成：固定電容（電極電容， ）和當(dāng)人手接觸或者靠近電極時，由人手帶來的電容（感應(yīng)電容， ）。 利用該原理，就可以檢測到手指是否觸摸了電極。

圖3 觸摸感應(yīng)

這就是用于檢測人手觸摸的觸摸感應(yīng)軟件中感應(yīng)層所采用的基本原理。

2 硬件實現(xiàn)

圖4顯示了一個實現(xiàn)的實例。由R1，R2以及電容電極（ ）和手指電容（ ）并聯(lián)的電容（大約5pF） 形成一個RC網(wǎng)絡(luò)，通過對該RC網(wǎng)絡(luò)充放電時間的測量，可以檢測到人手的觸摸。 所有電極共享一個“負(fù)載I/O”引腳。電容R2（10K？）是可選的，用于減少對噪聲影響。

圖4 電容觸摸感應(yīng)實現(xiàn)實例

3 軟件實現(xiàn)

本章描述了觸摸感應(yīng)RC原理的實現(xiàn)。

3.1 充電時間測量原理

為了保證健壯的電容觸摸感應(yīng)的應(yīng)用，充電時間的測量需要足夠的精確。

采用一個簡單的定時器（無需IC功能）和一系列簡單的軟件操作，即定時地檢查感應(yīng)I/O端口上的電壓是否達(dá)到閥值。

3.2 基本測量

使用普通定時器進行充電時間的測量。對電容充電開始之前，定時器的計數(shù)器數(shù)值被記錄下來。當(dāng)采樣I/O端口上的電壓達(dá)到某個閥值（ ）時，再次記錄定時器計數(shù)器的值。二者之差就是 充電或者放電的時間。

圖5 定時器計數(shù)器值

3.3 過采樣

過采樣的目的是以CPU時鐘的精度，對輸入電壓達(dá)到高電平和低電平（ 和 ）的時間測量。 為了跨越所有的取值范圍，每次測量都比上一次測量延遲一個CPU時鐘周期的時間。

圖6 輸入電壓測量

3.4 輸入電壓測量的原理

為了提高在電壓和溫度變動情況下的穩(wěn)定性，對電極會進行連續(xù)兩次的測量：第一次測量對電容的充電時間，直到輸入電壓升至 。第二次測量電容的放電時間，直到輸入電壓降至 。下圖以及以下的表格詳細(xì)說明了對感應(yīng)電極（感應(yīng)I/O）和負(fù)載I/O引腳上的操作流程。

表2 電容充放電測量步驟

3.5 觸摸的效果

電極的電容值（ ）取決于以下幾個主要因素：電極的形狀、大小，觸摸感應(yīng)控制器到電極之間的 布線（尤其是地耦合），以及介電面板的材料和厚度。圖8說明了這種“觸摸的效果”。 時間（即達(dá)到了 電平的時刻）比長；同樣對于降至 電平的時間也比長。

圖8 觸摸效果實例

3.6 多次測量以及高頻噪聲的去除

為了提高測量的精確度，并去除高頻噪聲，有必要對 和 進行多次的測量，然后再決定是否有按鍵被有效“觸摸”。

圖9 測量的種類

注意：下圖說明了去除噪聲的實例。如果測量次數(shù)（N）設(shè)置為4，那么對一個電極的完整測量將包括4次正確的“連續(xù)組測量”（BGs）。

圖10 顯示了沒有噪聲的影響，所有測量都有效的情況。 這個例子中，每個連續(xù)組測量中的測量都有效，使得一個完整的測量很快就可以完成。

圖10 實例1

圖11 顯示了有一些噪聲使得某些測量無效的情況（即r1和r2）。 在這個例子中，連續(xù)組測量BG3重復(fù)了好幾次，直到其中的所有測量都有效，該次組測量才算通過。

圖11 實例2

圖12 顯示了有很多噪聲，使得無效的組測量次數(shù)達(dá)到了最大限制 （比如20）。這樣的話，整個電極測量都無效。

圖12 實例3