輕松實(shí)現電容式觸摸感應按鍵開(kāi)關(guān)設計

　　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，益登科技設計出以Silicon Labs公司MCU為內核的電容式觸摸感應按鍵方案。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。測量周期的變化，就可以偵測觸摸動(dòng)作。

　　具體測量方式有兩種：一是可以測量頻率，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;二是可以測量周期，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。C8051F9xx 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。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)。

　　以上這兩種測量方法，都需要通過(guò)比較測量數值和一個(gè)預先設置的門(mén)限值，來(lái)判斷開(kāi)關(guān)是否被按壓。所以，門(mén)限值需要被適當地校準，以免影響開(kāi)關(guān)的靈敏度。在系統中，可以對所有開(kāi)關(guān)做一次初始校準，設置門(mén)限值。如果系統工作的一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中，還應當在系統增加周期性校準。如果門(mén)限值設置過(guò)于遠離空閑值(開(kāi)關(guān)沒(méi)有被按壓時(shí)候的數值)，開(kāi)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(mén)限值設置過(guò)于接近空閑值，在用戶(hù)的手指還沒(méi)有接觸到開(kāi)關(guān)時(shí)，就可能誤檢測出開(kāi)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?，F在，有3個(gè)主要因素會(huì )影響開(kāi)關(guān)電容及變化幅度：PCB上開(kāi)關(guān)的大小、形狀和配置;PCB走線(xiàn)和使用者手指間的材料種類(lèi);連接開(kāi)關(guān)和MCU的走線(xiàn)特性。測試結果表明，在特定區域中的開(kāi)關(guān)越大且走線(xiàn)越多，則此開(kāi)關(guān)的閑置電容便越高。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。我們發(fā)現，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的材料，例如玻璃、以增加開(kāi)關(guān)的絕對電容。

　　此電容式觸摸感應按鍵優(yōu)點(diǎn)很多。首先，只需要很少的微控制器開(kāi)銷(xiāo)(overhead),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),可以將開(kāi)關(guān)走線(xiàn)直接連至MCU端口管腳，無(wú)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電壓的影響，不受50/60Hz噪聲的影響，也不需要精密電壓源(VDD)。