基于WTC6216的觸摸式按鍵設計

摘要：為降低電子產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，美化電子產(chǎn)品的外觀(guān)，提升電子產(chǎn)品的品質(zhì)，設計了一種基于單片機與WTC6216集成電路相結合帶背光的人體觸摸式按鍵電路。該電路的特點(diǎn)是外圍元器件少，與單片機接口電路簡(jiǎn)單，且微功耗、抗干擾能力強、工作性能穩定、安裝工藝簡(jiǎn)便等，可用于制作間距較小的密集型鍵盤(pán)，因而對于消費電子產(chǎn)品和手持式儀器設計具有較高的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：鍵盤(pán)；觸摸按鍵；WTC6216；消費電子產(chǎn)品

隨著(zhù)現代電子技術(shù)尤其是人機接口技術(shù)的不斷發(fā)展，觸摸式按鍵在電子產(chǎn)品和手持式儀器中得到越來(lái)越廣泛應用。相對傳統的機械式按鍵，觸摸式按鍵具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，不但系統硬件結構簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，而且在使用中不易磨損損壞，提高了按鍵的使用壽命。此外觸摸式按鍵還可以增加產(chǎn)品外觀(guān)設計的靈活性，提升產(chǎn)品的品質(zhì)。本文提出了一種基于WTC6216ASI集成電路的觸摸式按鍵設計方案，具有較高的實(shí)用性。

1 電容式觸摸按鍵工作原理
觸摸式按鍵可分為電阻式觸摸按鍵和電容式觸摸按鍵。任何兩個(gè)導電的物體之間都存在著(zhù)感應電容，一個(gè)按鍵即一個(gè)焊盤(pán)與大地也可構成一個(gè)感應電容，在周?chē)h(huán)境不變化的情況下，該感應電容值是固定不變的微小值。當有人體手指靠近觸摸按鍵時(shí)，人體手指與大地構成的感應電容并聯(lián)焊盤(pán)與大地構成的感應電容，會(huì )使總感應電容值增加。觸摸按鍵芯片在檢測到某個(gè)按鍵的感應電容值發(fā)生改變后，將輸出某個(gè)按鍵被按下的確定信號。
WTC6216ASI集成電路是為實(shí)現人體觸摸界面而設計的電容式觸摸感應芯片，最多能支持16個(gè)相互獨立的觸摸式按鍵。使用WTC6216ASI集成電路設計的觸摸式按鍵功耗小，外圍元器件少，硬件電路結構簡(jiǎn)單，其提供的對應輸出能與單片機直接接口。WTC6216ASI集成電路自身的設計涵蓋了EMI／EMC及高抗噪聲電路，抗干擾能力強，可以自動(dòng)克服由于靜電放電、電磁干擾或污染物在鍵盤(pán)表面堆積所帶來(lái)的干擾。同時(shí)該電路具有環(huán)境溫度和環(huán)境濕度的自適應能力，能在各種惡劣環(huán)境下提供良好的精確性和操作的一致性，工作性能穩定。此外，WTC6216ASI集成電路還具有相鄰按鍵的抑制功能，可以防止相鄰按鍵之間因相互干擾而產(chǎn)生的誤動(dòng)作，可使用在按鍵間距較小的密集型鍵盤(pán)(按鍵間距不小于2 min)上，在日常生活的電子產(chǎn)品和手持式儀器設計中完全滿(mǎn)足技術(shù)上的要求。
WTC6216ASI使用高精度16位數字電容轉換器(CDC)檢測焊盤(pán)(電容傳感器)上感應電容值變化來(lái)識別人體手指的觸摸動(dòng)作。數字電容轉換器將檢測數據輸入到內嵌的RISC處理器，RISC處理器通過(guò)可靠的高效算法對檢測數據進(jìn)行處理。當RISC處理器判斷感應盤(pán)上有有效觸摸發(fā)生時(shí)，會(huì )在100 ms內發(fā)出相應的指示確定某個(gè)按鍵被按下，方便系統根據按鍵進(jìn)行操作控制。WTC6216ASI發(fā)出的指示包含兩個(gè)部分：被按下按鍵的BCD編碼和按鍵被按下有效指示狀態(tài)。引腳data3～data0是輸出確定被按下按鍵的BCD編碼，引腳out_flag是輸出按鍵被按下有效指示狀態(tài)，其中“1”表示無(wú)有效按鍵被按下；“0”表示有按鍵被按下。引腳out_flag與引腳data3～data0的時(shí)序輸出關(guān)系如圖1所示。

2 觸摸式按鍵的硬件設計
觸摸式按鍵的硬件電路由主控電路、按鍵背光電路和觸摸按鍵檢測電路等三個(gè)部分組成如圖2所示。

主控電路選用在系統可編程的STC89C52單片機，該單片機具有512 B的片內RAM數據存儲器，8 KB片內FLASH程序存儲器，完全能夠滿(mǎn)足系統程序運行和數據存儲的需要。此外該單片機寬電壓工作，抗干擾能力強，能在電源環(huán)境比較惡劣下穩定的工作。
該觸摸按鍵檢測電路支持檢測12個(gè)相互獨立的觸摸按鍵。由于WTC6216ASI芯片最大支持可使用16個(gè)相互獨立的傳感器通道，為保證WTC6 216ASI能正常穩當的工作，空置不用的傳感器通道不能懸空，必須將它們并聯(lián)接在一起后用一個(gè)10 kΩ的上拉電阻與WTC6216ASI電源連接。觸摸按鍵的靈敏度由連接在引腳CSEL上的電容調節決定，而電容值的大小一般由鍵盤(pán)上的隔離介質(zhì)厚薄決定，隔離介質(zhì)越厚則電容值越大，一般取電容值在0．047～0．08μF之間。同時(shí)為獲得測量效果最穩定，引腳CSEL上的電容最好使用溫度系數較小、精度5％的滌綸電容，并且在PCB布線(xiàn)時(shí)引腳CSEL上的電容要盡量靠近WTC6216ASI芯片。按鍵背光電路則用來(lái)指示系統在當前工作狀態(tài)下鍵盤(pán)的有效觸摸按鍵。

由于WTC6216ASI芯片傳感器通道測量的是電容的微小變化，因此對供電電路的穩定性有較高的要求。在設計供電電路時(shí)要求電源的紋波和噪聲要小，注意避免由電源串入強干擾。當觸摸式按鍵直接使用主機的5 V電源時(shí)，要在WTC6216ASI芯片使用的電源之前加電源濾波電路，如圖3所示。該電路抑制電源噪聲的能力較好，但連接較大的負載時(shí)容易產(chǎn)生自激，因此，此電源濾波電路除對WTC6216ASI芯片供電外最好不要接其他負載。

3 觸摸式按鍵的軟件設計
根據上述觸摸式按鍵的硬件電路原理圖，該觸摸式按鍵只支持12個(gè)相互獨立的按鍵，如系統所需的按鍵數超過(guò)12個(gè)，則在軟件上可以對按鍵進(jìn)行分頁(yè)面處理來(lái)擴展按鍵的鍵數。軟件設計最主要是不斷對引腳out_flag輸出的按鍵被按下有效指示狀態(tài)進(jìn)行掃描，一旦確定有有效按鍵被按下，則立即讀取按鍵的BCD碼鍵值，并根據按鍵頁(yè)面轉換標志轉換相應頁(yè)面的鍵碼，系統再根據鍵碼發(fā)出操作控制指令，同時(shí)開(kāi)當前狀態(tài)下鍵盤(pán)上有效觸摸按鍵的背光。雖然觸摸按鍵的靈敏度由連接在引腳CSEL上的電容調節決定，但是為獲得更合適的觸摸按鍵的手感，在測量是否有按鍵按下的效果更穩定，有必要在軟件上對觸摸按鍵的靈敏度進(jìn)行更加細膩的調整。軟件處理觸摸按鍵的程序流程圖如圖4所示。

4 PCB板的設計
WTC6216ASI芯片傳感器通道測量的是電容的微小變化，因此對PCB板設計具有一定的要求。鍵盤(pán)單個(gè)感應盤(pán)導體在PCB板上可以做成任意形狀，但為盡量避免導體的尖端放電效應，應盡可能采用圓弧形的邊沿，一般設計成直徑為10 mm的圓形。同時(shí)感應盤(pán)與WTC6216ASI芯片的連線(xiàn)應盡量短而細(0．1～0．3 mm)，不要跨越其他信號線(xiàn)，尤其是高頻、強干擾的信號線(xiàn)，最少與信號線(xiàn)之間保持有0．5 mm以上的距離。鍵盤(pán)的各個(gè)感應盤(pán)的形狀、面積應該相同，并且到WTC6216ASI芯片的距離基本上一致，以保證觸摸靈敏度的一致性。此外各感應盤(pán)的距離應該盡可能地遠離一點(diǎn)，以減少相互之間的干擾，也可用覆蓋地隔開(kāi)，并且在感應盤(pán)的背面也覆蓋一層地，以減少電磁干擾。

5 結語(yǔ)
在人們日常生活中電子產(chǎn)品和手持式儀器中觸摸式按鍵的應用越來(lái)越廣泛。本文基于WTC6216ASI芯片設計帶背光的觸摸式按鍵，其硬件電路簡(jiǎn)單，所用的外圍元器件較少，生產(chǎn)成本低，抗干擾能力強，工作性能穩定，在市場(chǎng)上具有較高的競爭優(yōu)勢。同時(shí)相對傳統的機械式按鍵具有外形美觀(guān)，故障率低，使用壽命長(cháng)，對成熟的電子產(chǎn)品、手持儀器的升級換代和開(kāi)發(fā)新的電子產(chǎn)品具有較高的實(shí)用性。