輕松實現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)按鍵開關(guān)設(shè)計

市場上的消費電子產(chǎn)品已經(jīng)開始逐步采用觸摸感應(yīng)按鍵，以取代傳統(tǒng)的機械式按鍵。針對此趨勢，益登科技設(shè)計出以Silicon Labs公司MCU為內(nèi)核的電容式觸摸感應(yīng)按鍵方案。電容式觸摸感應(yīng)按鍵開關(guān)，內(nèi)部是一個以電容器為基礎(chǔ)的開關(guān)。以傳導(dǎo)性物體(例如手指)觸摸電容器可改變電容，此改變會被內(nèi)置于微控制器內(nèi)的電路所偵測。

　　電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理就是一個不斷地充電和放電的張弛振蕩器。如果不觸摸開關(guān)，張弛振蕩器有一個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關(guān)，就會增加電容器的介電常數(shù)，充電放電周期就變長，頻率就會相應(yīng)減少。測量周期的變化，就可以偵測觸摸動作。

　　具體測量方式有兩種：一是可以測量頻率，計算固定時間內(nèi)張弛振蕩器的周期數(shù)。如果在固定時間內(nèi)測到的周期數(shù)較原先校準(zhǔn)的為少，則此開關(guān)便被視作為被按壓;二是可以測量周期，即在固定次數(shù)的張弛周期間計算系統(tǒng)時鐘周期的總數(shù)。如果開關(guān)被按壓，則張弛振蕩器的頻率會減少，則在相同次數(shù)周期會測量到更多的系統(tǒng)時鐘周期。C8051F9xx MCU系列，可通過使用芯片上比較器和定時器實現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵功能，連接最多23個感應(yīng)按鍵。而且無須外部器件，通過PCB走線/開關(guān)作為電容部分，由內(nèi)部觸摸感應(yīng)按鍵電路進行測量以得知電容值的變化。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是開關(guān)的數(shù)目，以及3個提供反饋的額外端口接點。

　　以上這兩種測量方法，都需要通過比較測量數(shù)值和一個預(yù)先設(shè)置的門限值，來判斷開關(guān)是否被按壓。所以，門限值需要被適當(dāng)?shù)匦?zhǔn)，以免影響開關(guān)的靈敏度。在系統(tǒng)中，可以對所有開關(guān)做一次初始校準(zhǔn)，設(shè)置門限值。如果系統(tǒng)工作的一個動態(tài)變化的環(huán)境中，還應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)增加周期性校準(zhǔn)。如果門限值設(shè)置過于遠離空閑值(開關(guān)沒有被按壓時候的數(shù)值)，開關(guān)事件就可能很難被檢測到，除非手指非常用力地按壓。如果門限值設(shè)置過于接近空閑值，在用戶的手指還沒有接觸到開關(guān)時，就可能誤檢測出開關(guān)事件。

　　因為要偵測電容值的變化，所以希望變化幅度越大越好。現(xiàn)在，有3個主要因素會影響開關(guān)電容及變化幅度：PCB上開關(guān)的大小、形狀和配置;PCB走線和使用者手指間的材料種類;連接開關(guān)和MCU的走線特性。測試結(jié)果表明，在特定區(qū)域中的開關(guān)越大且走線越多，則此開關(guān)的閑置電容便越高。由于開關(guān)上方的材料種類，會影響閑置電容和電容的變化率。我們發(fā)現(xiàn)，盡可能使用最薄的材料，使電容變化極大化，建議使用具有高介電常數(shù)的材料，例如玻璃、以增加開關(guān)的絕對電容。

　　此電容式觸摸感應(yīng)按鍵優(yōu)點很多。首先，只需要很少的微控制器開銷(overhead),硬件資源只需要一個比較器和定時器。還可以采用高效率算法，讓微控制器可以進入低功耗模式，并能定期喚醒以偵測開關(guān)動作。總體只占用低于0.05% 的CPU資源。其次，沒有外部硬件開銷,可以將開關(guān)走線直接連至MCU端口管腳，無須其他外部的反饋電阻器或電容器。按鍵的偵測不易受到噪聲和供應(yīng)電壓的影響，不受50/60Hz噪聲的影響，也不需要精密電壓源(VDD)。