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市場(chǎng)上的消費電子產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始逐步采用觸摸感應按鍵，以取代傳統的機械式按鍵。針對此趨勢，Silicon Labs公司推出了內置微控制器(MCU)功能的電容式觸摸感應按鍵(Capacitive Touch Sense)方案。電容式觸摸感應按鍵開(kāi)關(guān)，內部是一個(gè)以電容器為基礎的開(kāi)關(guān)。以傳導性物體（例如手指）觸摸電容器可改變電容，此改變會(huì )被內置于微控制器內的電路所偵測。 電容式觸摸感應按鍵的基本原理 ◆Silicon Labs 現提供一種可偵測因觸摸而改變的電容的方法 電容式觸摸感應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(kāi)關(guān)，張弛振蕩器有一個(gè)固定的充電放電周期，頻率是可以測量的。如果我們用手指或者觸摸筆接觸開(kāi)關(guān)，就會(huì )增加電容器的介電常數，充電放電周期就變長(cháng)，頻率就會(huì )相應減少。所以，我們測量周期的變化，就可以偵測觸摸動(dòng)作。 具體測量的方式有二種： (一)可以測量頻率，計算固定時(shí)間內張弛振蕩器的周期數。如果在固定時(shí)間內測到的周期數較原先校準的為少，則此開(kāi)關(guān)便被視作為被按壓。 (二)也可以測量周期，即在固定次數的張弛周期間計算系統時(shí)鐘周期的總數。如果開(kāi)關(guān)被按壓，則張弛振蕩器的頻率會(huì )減少，則在相同次數周期會(huì )測量到更多的系統時(shí)鐘周期。 Silicon Labs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)現觸摸感應按鍵功能，連接最多23個(gè)感應按鍵。而且無(wú)須外部器件，通過(guò)PCB走線(xiàn)/開(kāi)關(guān)作為電容部分，由內部觸摸感應按鍵電路進(jìn)行測量以得知電容值的變化。 ◆以Silicon Labs的MCU實(shí)現觸摸感應按鍵 利用Silicon Labs其它MCU系列，僅需搭配無(wú)源器件，即可實(shí)現電容式觸摸感應按鍵方案。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(kāi)關(guān)的數目，以及3個(gè)提供反饋的額外端口接點(diǎn)。C8051F93x-F92x之外，Silicon Labs其它MCU系列可直接連接12個(gè)開(kāi)關(guān)，或者通過(guò)外部模擬多路復用器連接更多開(kāi)關(guān)。 設計觸摸感應按鍵開(kāi)關(guān) 因為我們要偵測電容值的變化，所以希望變化幅度越大越好�，F在，有三個(gè)主要因素會(huì )影響開(kāi)關(guān)電容及變化幅度。
◆開(kāi)關(guān)的形狀尺寸會(huì )如何影響開(kāi)關(guān)的空閑和被接觸的狀態(tài) 由于開(kāi)關(guān)上方的材料種類(lèi)，會(huì )影響閑置電容和電容的變化率。我們還測試了玻璃、有機玻璃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，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的材料，例如玻璃，以增加開(kāi)關(guān)的絕對電容。 總結 Silicon Labs的電容式觸摸感應按鍵的優(yōu)點(diǎn)很多。首先，只需要很少的微控制器開(kāi)銷(xiāo)(overhead)。設計一個(gè)開(kāi)關(guān)僅需443字節碼空間，每多增加一個(gè)開(kāi)關(guān)僅需多增加額外的 1字節。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開(kāi)關(guān)動(dòng)作�？傮w只占用低于0.05% 的CPU資源。 其次，沒(méi)有外部硬件開(kāi)銷(xiāo)�？梢詫㈤_(kāi)關(guān)走線(xiàn)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(kāi)關(guān)使用為何材料，完成都很容易。另外，按鍵的偵測，不易受到噪聲和供應電壓的影響。不受50/60 Hz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Silicon Labs在線(xiàn)座談中的問(wèn)答環(huán)節) 問(wèn)：如何調整觸摸靈敏度？是設計時(shí)固定的，還是到現場(chǎng)可以進(jìn)行調整的？ 答：靈敏度是通過(guò)實(shí)驗來(lái)做的，客戶(hù)可以對不同狀況下的值進(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，系統會(huì )用不同值來(lái)工作，實(shí)現適合的靈敏度。靈敏度是設計時(shí)確定的，也可以設計成自學(xué)習型的。 問(wèn)：一個(gè)開(kāi)關(guān)需要一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)比較器，多個(gè)開(kāi)關(guān)是共用定時(shí)器和比較器嗎 答：對于多個(gè)開(kāi)關(guān)，采用一個(gè)多路復用器，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)檢測頻率或者周期來(lái)實(shí)現。而消除和區別誤觸摸，則要通過(guò)軟件上一些校準的算法來(lái)實(shí)現。具體的信息，可以登陸www.silabs.com下載詳細的參考應用。 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系列單片機支持sleep、suspend睡眠狀態(tài)�？梢酝ㄟ^(guò)IO、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。 抗干方面，電容式的更好一些。 問(wèn)：我的手要在按鍵放多久才能被檢測? 答：人的動(dòng)作是以百毫秒來(lái)計算的，而IC內部檢測是否有按鍵按下的時(shí)間通過(guò)數千個(gè)機器周期就可以確定，時(shí)間等級差很多。因此基本上手一放上去就會(huì )被檢測到。 問(wèn)：電容式觸摸按鍵有沒(méi)有防水防潮設計，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。另外，當"按鍵"受到污染，"空閑電容，idle capactiance"變大時(shí)，你可使用算法來(lái)刷新/標定你的檢測門(mén)限(重新標定時(shí)間常數，RC) 。 問(wèn)：c8051F9xx可以同時(shí)監測多少路的按鍵動(dòng)作？處理速度能達到多少？ 答：C8051F9xx最高速度是24.5MHz，電容感應的響應時(shí)間是由電容充放電時(shí)間決定的，即與時(shí)間常數有關(guān)。一般一個(gè)周期為1000~2000個(gè)系統時(shí)間周期/SYSCLK， 故響應時(shí)間小于為2*2000*1/24.5MHz = 160uS。 人的動(dòng)作為上百mS級的，MCU有足夠的時(shí)間去處理按鍵響應。由于受到I/O口的限制，C8051F9xx最多能做到23個(gè)按鍵。 問(wèn)：為了提高按鍵的抗干擾能力，在繪制PCB圖時(shí)應注意哪些問(wèn)題？ 答：按鍵與單片機IO間走線(xiàn)需要越短越好。 問(wèn)：為了提高按鍵的靈敏度和準確度，編程時(shí)應如何如何對其進(jìn)行處理？ 答：靈敏度和準確度是相反的一組值。你必須要自己選一個(gè)中間值來(lái)平衡。 問(wèn)：如果我想更多的了解和學(xué)習電容式觸摸按鍵技術(shù)，請問(wèn)有無(wú)相關(guān)書(shū)記和資料課提供？謝謝 答：有的，我們有電容按鍵的參考設計，包含軟硬件以及源代碼。請到www.silabs.com網(wǎng)站上下載應用文檔，AN338 Capacitive Touch Sense Solution.pdf，也可以聯(lián)系我們益登科技相關(guān)辦事處，獲取詳細設計資料及指導。 問(wèn)：假如我需要開(kāi)發(fā)電容式觸摸按鍵技術(shù)，請問(wèn)我應該買(mǎi)什么開(kāi)發(fā)工具和軟件？ 答：可以購買(mǎi)我們提供的C8051F931-based ToolStick 與Capacitive Touch Sense，或者C8051F930DK等開(kāi)發(fā)套件，套件中包含設計資料和參考代碼。 |
