前一段時間,做了一個使用 HT45R35 晶片的觸控按鍵專案,屬於是晶片自帶專門應用於觸控鍵功能的"專用晶片".近日,再次對觸控按鍵進行實踐----使用 AD 轉換方式.這樣,就不要專門功能的晶片了.同時,除錯更加簡單方便,也沒有了許多限制.

下圖是一個該實踐的原理圖,每一個按鍵包含了 10P,104 電容器,一隻貼片封裝的雙二極體, 3 個電阻.專案裡使用的按鍵數量沒有限制.完全可以根據需要來決定.但是,需要微控制器具有相同數量的 AD 輸入介面.(----或者使用多路模擬開關反而成本上升,電路複雜,儘量不要這麼幹.)

不管是哪一種測量方式,都需要有一個參考量.電容量→定時/計數方式的參考值是通過檢測沒有觸控按鍵時的計數值來實時得到,而 AD 方式的參考值就是基準電壓,它無需任何手段就是天然存在的.

無需追求 AD 的位數,可以使用僅僅 8 位的 AD 轉換就足夠了.

電路工作原理是: 一個由微控制器輸出的 PWM 訊號(沒有 PWM 輸出的晶片可以使用一個普通 I/O ,只要能夠輸出滿足要求的頻率就可以了.)

這個訊號頻率與 10P 電容器有關係.頻率低了,10P 電容器的容抗就會增大,造成後級二極體整流的電流下降,影響速度.加大電容量是受到人手觸控電容量的限制,這個 10P 電容量必須與人手觸控電容器有一個合適的配置.儘量讓人手的觸控電容量與這個 10P 電容器的容量相同是最理想的.(可以更換 10P 電容器的大小來達到.)

例如:

如果使用 1K 對 1K 的電阻去分壓一個 1V 的電壓,這是最理想的.而如果使用一個 1Ω 的電阻與一個 10MΩ 的電阻去分壓,那麼,這個分壓效果就很差很差了.

由此可以知道:首先是從人手的觸控電容量出發,去決定 10P 電容器的電容量,而後,是根據這些電容量去決定訊號頻率的高低.這就是為什麼不能直接使用 50HZ 交流電頻率的原因.

通常,AD 轉換有一個基準電壓,可以使用與系統供電相同的 +5V 作為基準電壓.有些晶片的 AD 還可以改變基準電壓的,則可以使用 2.5V 作為基準電壓,靈敏度更高一些.

不管是電容量→計數器方式還是電容量→電壓方式,都要有一個參考標準,前者是實時測量得到參考值,後者就有一個天然的標準參考--基準電壓.這就是使用 AD 方式的好處之一!

對較高頻率的訊號來說,10P 電容器的容抗約為 30KΩ～50KΩ 左右(取決於訊號頻率與電容量大小),它經過雙二極體 A7 構成的倍壓整流之後,可以得到約 2.2～3.5V 的直流電壓.這就是沒有觸控按鍵時的輸出電壓.由於有 AD 基準的約束,每隻按鍵的讀數是大致固定的.以基準=5V為例,讀數就是 7FH 左右.這個電壓可以比較隨便的在印刷板上佈線,不像電容量→計數器方式的一樣麻煩,這是使用 AD 方式的第二大好處!

倍壓整流後由一隻 104 的電容器進行濾波,得到較為平滑的直流電壓.這個直流電壓顯然可以非常方便的傳送.幾乎沒有什麼顧忌.(電容量→定時/計數方式的則不允許亂佈線).

這裡,需要提及與 104 電容器並聯的 3M 電阻,這個電阻是給電容器放電使用的,可以根據對按鍵的反應速度調整其大小.(具體還得看看實際使用晶片的 AD 輸入埠的阻抗大小).當不用這個電阻時(=無窮大),反應速度最慢.而且,如果取值較少,電壓就會上不去.----中間如果插入一個運放跟隨器就好了!

還要提及的是 AD 轉換的速率,儘量使用較快的速率,較高的系統時鐘,因為相對於機械式按鍵來說,處理觸控式按鍵是比較麻煩的,耗費的指令也多得多.

現在,關鍵的問題就是進行觸控除錯了.試著用手觸控一個按鍵,使用直流電壓表看看它的直流輸出電壓是否有變化?變化多少?時間快慢?

根據實際測試,在觸控著按鍵時,輸出電壓會下降到沒有觸控時的 50% 以下,但是時間會達到 2～3S .此時,可以細心調整 3M 電阻或者 104 電容器的大小.一般的,如果能夠在 0.25S之內,電壓下降到原來數值的 80%～90% 就差不多了.

判斷哪一個按鍵被觸摸了是很容易的事情了,就看看 AD 讀數吧.它是有方向的,不用理會≥參考值,僅僅看看＜參考值多少就是了.根據這個"多少"界線,還可以調整觸控靈敏度呢.靈敏度太高,測量值的波動會引起按鍵還沒有觸控就有效了,靈敏度太小,就是摸了半天也沒有反應.

帶 AD 的微控制器現在已經很多了,例如 SN8P27XXX 系列,HT46XXXX,HT45XXX 系列,都有許多帶 AD 的微控制器,其中, HT45R54 自帶 24 路 AD,HT46R343 自帶 16 路 AD .還有 Flash的HT46F25* ,自帶 12 路 AD 而且可以反反覆覆燒寫/擦除,做試驗是最好的了!

現在市場上有許多專門供貨觸控按鍵晶片的,也有許多技術文章,總之,各師各法,實際處理觸控按鍵就像電壓比較器一樣,不需要知道其值的具體大小,僅僅判斷有"高"電平還是"低"電平就足夠了.----應該屬於臨界判斷.

根據上面所說,接下來,我會使用普通微控制器來實踐做觸控按鍵.既不使用專用晶片(電容量→定時/計數),也不使用自帶 AD 晶片(電容量→電壓→AD 轉換),就直接使用普通微控制器的埠+電壓比較器來做.這樣是否會讓電路多放置一隻比較器晶片?不!就使用自帶運算放大器或者自帶比較器的晶片.同樣簡單容易.-----也可能失敗啊!歡迎各位指導!

正是有了許許多多的自帶 AD 的微控制器,因此,那種使用外掛多路模擬開關的方法就不好用了.(多路 AD 實際晶片內部就有了多路模擬開關).在盛揚半導體(上海)的中文網站上,就有使用HT46R47 做觸控按鍵的示例. www.holtek.com.cn .

需要了解更多此觸控按鍵的其它應用資訊,歡迎瀏覽: www.dfm.bj.cn .

下圖是我的 AD 方式試驗板,只有 4 個觸控鍵, 3 只發光管以二進位制編碼指示按鍵號碼,哪一個按鍵被觸摸了,哪一個對應發光管就點亮 0.5S 時間.使用上,似乎比專用晶片的毫不猻色!----還有待實際應用來檢驗.我想:既然可以處理測量 0.1℃ 的溫度,0.1mV的電壓,那麼,不可能不能處理這種"界限"式的觸控關係.

使用 AD 測量的 電容觸控按鍵 電路

觸控按鍵實踐(3)

電容式感應按鍵以其無機械磨損、壽命長、防水防汙、易清潔和時尚的特點, 近幾年應用 領域和數量迅速增加. 因此, 結合電容感應按鍵的特點, 設計了一種用A/D 口搭配簡單的電路實 現電容感應按鍵的方法. 經測試, 電路的穩定性較高, 在低成本的電路中適用性較強.

觸控控制技術又可分為觸控式螢幕(Touch Screen) 技術和觸控按鍵(TouchKey)技術. 在觸控按鍵技 術方面, 目前主要可分為電阻式觸控按鍵與電容 式感應按鍵. 由於電阻式的觸控按鍵需要在裝置 表面貼一張觸控電阻薄膜, 其耐用性較低, 而電容感應按鍵技術具有在非金屬操作面板上無須開 孔處理、防水防汙、易清潔、無機械開關磨損而壽 命長等優點. 近幾年隨著蘋果公司將電容觸控感 應技術從膝上型電腦引用到iPod 後, 電容觸控感 應熱浪正席捲幾乎所有電子產品, 從膝上型電腦、 智慧電話、PDA、遊戲機等手持裝置, 到LCD TV、 DVD 等消費電子產品, 再到洗衣機、空調、冰箱、 熱水器、電磁爐以及咖啡壺等大小家電, 無不以加 入電容觸控感應為新的賣點.

目前, 世界知名電 子元件供應商均加大了對電容觸控按鍵的應用研 究, 並推出眾多的專業晶片, 有專用電容感應按鍵 類的全ASIC, 也有眾多基於MCU整合類的IC. 但這些芯片價格較高, 在一些按鍵數量少、成本要求 低的電路中很難得到運用. 另外, 使用這些整合類 IC, 很難做到所選資源恰好等於使用的情況, 存在資源的浪費情況. 而且對於升級成熟產品的機械 式按鍵, 還存在變更原MCU 程式碼的風險. 同時, 目 前, 對於電容式觸控按鍵的介紹大多也停留在基 於電容量測量的原理上. 結合電容感應按鍵 的原理, 設計了一種用MCU 的A/D 口實現電容觸 摸按鍵的低成本電路.

1 電容式感應按鍵原理

平行板電容器具有 2 個極板, 其間隔著1 層介 質, 電容器中的大部分能量直接聚集在2 個極板之 間, 1 個極板電荷數量的變化將引起另外極板電荷 的增減, 從而在電容內部形成電流. 電容式感應按鍵的原理如圖1 所示, 感應按鍵 的金屬電極, 放置於非金屬面板內, 並連線交變的 電訊號. 如果在非金屬面板另一側與金屬電極對 應處放置另外1 塊金屬板(圖2), 那麼, 2 個極板就 組成了平行板電容器, 非金屬面板成為此平行板 電容器的介質. 由於電場被封閉在2 個金屬極板之 間, 所以大部分能量均集中在非金屬面板內. 如果在非金屬面板外隔著金屬, 手指觸控對其能量損失的影響就很小.

圖1 電容感應按鍵示意圖

圖2 封閉電場示意圖

去除外側的金屬板, 電場的能量就會穿過非 金屬的密集區, 向外傳播(圖3).

圖3 電容感應電極的電力線

當導體靠近操作 面(即非金屬面板表面)後, 電磁場即在導電介質中 傳播. 由於導體中存在自由電子, 這些自由電子在 電場作用下就會形成傳導電流, 進而產生焦耳熱 從而引起電磁波能量損耗. 由於人體組織中充滿 了傳導電解質(一種有損電介質), 當手指靠近時 同樣會引起電磁能量損耗. 因此只要檢測流經感 應電極的電能變化, 就可以判斷是否有手指靠近 非金屬操作面板.

2 電容感應按鍵取樣電路分析

圖 4 為電容感應按鍵取樣電路圖, 電路由5 個分離元件組成. 其脈衝訊號頻率為300kHz, 幅度 12 V,佔空比為50%. 通過讀取電容 C1上的電壓值 判別是否有手指靠近操作區域. 其原理分析如下: 二極體1N4148正向導通電壓為d V , 在脈衝信 號跳變為高電平(12 V)時, 假定電容 C1上電壓為 U0, 電容的充電迴路根據 C1電壓大小出現如下2 種情況:

(1) 若 , 則充電迴路為圖5(a), 充電時間常數 

電容 C1的充電電壓:

(2) 若

則充電迴路為圖5(b), 充電時間常數

電 容 C1的充電電壓為:

在振盪脈衝跳變為低電平時, 根據電容 C1電 壓大小, 出現以下2 种放電迴路:

(1) 當0 2 d U > V 時, 放電迴路為圖5(c), 放電 電路的

其放電時的 電容電壓為:

圖4 電容感應按鍵取樣電路

(2) 當U0≤2Vd 時, 放電迴路為圖5(d), 放電 電路的

其電容電 壓為:

.

由於電路中脈衝佔空比為50%, 充放電時間

在該電路中, 充放電電阻大, 流過的充放電電 流小, 二極體1N4148 的導通電壓也較小, 若以充 電電路為圖5(a)、放電電路為圖5(c)來計算, 充電 時間常數τ = 放電時間常數= 0.1s, 而充放電時間 為

假定二極體電壓在微弱電流下按0.2 V 計算 根據(1)式和(2)式, 運用迭代可計算出電容電壓最 後穩定在5.9 V,而以上計算不考慮由手指觸控等 任何情況引起的能量損耗.

電容 C1充放電如圖6 所示. 在實際的充放電 電路中, 電路對金屬極板的充放電始終在進行. 當 手指靠近金屬極板時, 感應電極處存在的微弱電 磁場被傳導至人手指內電解質中, 同時消耗了部 分能量, 電容 C1補充的電荷將減少, 因此電容 C 的電壓將下降(圖7). 當ΔV 變化量達到最小檢測 精度要求時, 系統即可通過計算識別出是否有手 指或其他導電物體靠近操作區.

圖6 電容充電時間與電壓的關係

圖7 手指觸控時的電平變化

A/D 法電容感應按鍵、讀鍵流程:

將電容電壓引入 MCU 通用A/D 口, 即可將電 容 C1上的電壓值轉換為數字量並通過MCU計算 出電容 C1兩端電壓的變化大小, 從而判斷出是否 有手指或其他導電物體靠近或離開觸控按鍵, 實 現電容感應按鍵的識別. 軟體流程如圖8 所示.

電路引數對感應靈敏度的影響

輸入脈衝影響

輸入脈衝的幅值決定了 C1上穩態電壓, 如果 脈衝幅值不穩定, 就會導致 C1上的電壓波動. 如 果該幅值變化引起的電容電壓變化量ΔV 超過了 檢測的最小檢測精度, 即使沒有手指靠近, 也會造 成讀鍵的誤判, 所以脈衝電壓幅度要穩定. 此外, 輸入脈衝的頻率同樣也會影響到 C1電 容的工作狀態, 如果輸入脈衝的頻率過低, 則 C1電壓紋波會加大, 感應靈敏度下降; 反之, 輸入脈 衝的頻率過高, 則線路損耗加大, 而且觸控容易受 到干擾.

充放電電阻值的影響

如果同時改變 R1,R2 的阻值, 例如將阻值改為100KΩ, 充放電時間常數減少10 倍, 因

雖然 C1上電壓變化不大, 但此時 C1上的充放 電電流卻顯著增強, 使得手指觸控的靈敏度下降. 所以, 電路中 R1,R2的阻值一定要選取恰當. 二極體的影響

由於上述電容式感應按鍵電路工作頻率高, 且流經電流小, 所以應當選擇結電容小、開關速度 快、正向導通電壓低的二極體. 另外, 二極體的工 作可靠性一定要好,D1,D2任一短路、斷路都會破 壞充放電迴路, 從而使觸控電路失效.

電容感應電極的形式

電容式感應按鍵的感應電極有很多種, 常用 的感應電極有PCB 板上的電極及彈簧金屬片式電 極. 電極形式可以根據外觀進行任意設計, 如圓 形、方形、三角形等. 但無論電極以哪種形式出現 其周圍都應儘量遠離地: PCB 雙面板電極對應的另 一面銅箔應當刻蝕去除, 彈簧電極周圍的PCB 銅 箔也要刻蝕去除. 否則, 感應電極與金屬之間將形 成感應電流, 削弱了手指或外界導電物靠近電極 時電路的靈敏度.

同時, 電極應當與非金屬面板緊貼, 如果中間 有空隙, 相當於增加了感應距離, 使感應靈敏度降 低. 感應電極的面積和非金屬面板的厚度影響了 感應的靈敏度. 實際應用中, 目前厚8mm 以下的 鋼化玻璃, 其圓形金屬感應電極直徑不小於12 mm.

這種用分離元件組成觸控感應按鍵用的低成 本電路, 在按鍵數量不多的情況下應用, 可根據按 鍵數量多少進行自由組合感應電極數量和最簡電 路數量, 充分利用資源. 同時, 對於升級原成熟產 品, 僅需選擇原MCU 系列中帶A/D 埠的產品, 編寫讀取觸控按鍵的程式, 可以很順利地完成程 序替換. 該電路目前成功運用於油煙機、消毒櫃、 微波爐、蒸箱、烤箱等一系列產品上, 順利通過 EMC 標準的測試要求, 市場質量表現穩定可靠.