基于嵌入式技術(shù)支持的感應(yīng)按鍵設(shè)計(jì)

1 引言

感應(yīng)按鍵技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，如今已經(jīng)被廣泛用于各種產(chǎn)品。特別是近兩年來(lái)，采用感應(yīng)按鍵的家電產(chǎn)品呈現(xiàn)雨后春筍般的繁盛景象。目前，市面上的這類產(chǎn)品主要有智能電冰箱、數(shù)字液晶電視、熱水器、電熱爐等家電產(chǎn)品。采用感應(yīng)式按鍵的家電產(chǎn)品，可以設(shè)計(jì)出靚麗的控制面板，同時(shí)，與機(jī)械式按鍵相比具有更長(zhǎng)的使用壽命。

目前，感應(yīng)按鍵的應(yīng)用方式主要有兩大類：

① 采用專用芯片，比如昆騰公司的感應(yīng)按鍵芯片QT240、QT1101，以及康拓斯公司的CT1008等。這類芯片內(nèi)部固化了處理感應(yīng)按鍵的軟件，能夠?qū)Π存I感應(yīng)電極（金屬?gòu)椈苫驅(qū)щ姾＞d）的信號(hào)進(jìn)行采集和分析，最終將分析的結(jié)果以高低電平形式輸出到應(yīng)用系統(tǒng)的處理器I/O口。比如，當(dāng)手靠近感應(yīng)電極的時(shí)候輸出高電平，遠(yuǎn)離感應(yīng)電極的時(shí)候輸出低電平。這類芯片外圍需要少量的分立器件，實(shí)際使用時(shí)要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)這些外圍器件的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到最佳效果。

② 采用集成式芯片。推出這種方式的芯片廠家將處理感應(yīng)按鍵的軟件部分嵌入到單片機(jī)程序中，用戶如果需要用到感應(yīng)按鍵，只需要在單片機(jī)開發(fā)環(huán)境里將需要的I/O口配置為感應(yīng)按鍵的輸入口，同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用芯片廠家提供的函數(shù)庫(kù)接口來(lái)讀取感應(yīng)按鍵的結(jié)果。基于Atmel公司ATmega系列單片機(jī)的感應(yīng)按鍵就是屬于這種應(yīng)用方式，它是將其QTouch技術(shù)的軟件代碼以庫(kù)函數(shù)接口形式提供給用戶使用。

2 QTouch技術(shù)

QTouch技術(shù)是Atmel公司觸摸技術(shù)部前身Quantum開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)。所開發(fā)的集成電路技術(shù)是基于電荷的傳輸電容式感測(cè)。QTouch IC檢測(cè)用傳感器芯片和簡(jiǎn)單按鍵電極之間連接來(lái)檢測(cè)觸摸，如圖1所示。QTouch器件對(duì)未知電容的感測(cè)電極充電到已知電位。電極通常是印刷電路板上的一塊銅區(qū)域，該電極可以通過(guò)金屬?gòu)椈苫蛘邔?dǎo)電海綿來(lái)延伸應(yīng)用空間。在1個(gè)或多個(gè)電荷傳輸周期后測(cè)量電荷，就可以確定感測(cè)板的電容。在觸摸表面按手指，導(dǎo)致在該點(diǎn)影響電荷流的外部電容，作為一個(gè)觸摸記錄；也可確定QTouch微控制器來(lái)檢測(cè)手指的接近度，而不是絕對(duì)觸摸。判斷邏輯中的信號(hào)處理使QTouch健全和可靠，同時(shí)可以消除靜電脈沖或瞬時(shí)無(wú)意識(shí)觸摸/接近引起的假觸發(fā)。

圖1 QTouch技術(shù)示意圖

QTouch傳感器可以驅(qū)動(dòng)單按鍵或多按鍵。在用多按鍵時(shí)，可以為每個(gè)按鍵設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的靈敏電平。可以用不同大小和形狀的按鍵來(lái)滿足功能和審美要求。QTouch技術(shù)可以采用兩種模式：正常或“觸摸”模式，以及高靈敏度或“接近”模式。用高靈敏電荷傳輸接近感測(cè)來(lái)檢測(cè)末端用戶接近的手指，用用戶接口中斷電子設(shè)備或電氣裝置來(lái)啟動(dòng)系統(tǒng)功能。為了實(shí)現(xiàn)良好的電磁兼容，QTouch傳感器采用擴(kuò)頻調(diào)制和稀疏、隨機(jī)充電脈沖（脈沖之間具有長(zhǎng)延遲）。單個(gè)脈沖可以比內(nèi)部串脈沖間隔短5%或更短。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是交叉?zhèn)鞲衅鞲蓴_較小，功耗較低，且降低了RF輻射和極化率。QTouch器件對(duì)于慢變化（由于老化或環(huán)境條件改變）具有自動(dòng)漂移補(bǔ)償。這些器件不需要線圈、振蕩器、RF元件、專門纜線、RC網(wǎng)絡(luò)或大量的分立元件。

3 硬件設(shè)計(jì)

基于ATmega48的感應(yīng)按鍵，在硬件設(shè)計(jì)上非常簡(jiǎn)單，每路按鍵只需要一個(gè)電阻和一個(gè)電容即可實(shí)現(xiàn)。通常情況下，感應(yīng)電極一般以銅箔形式分布在印刷電路板上，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需要將感應(yīng)電極設(shè)計(jì)成不同的尺寸和形狀。同時(shí)，采用金屬?gòu)椈苫蛘邔?dǎo)電海綿等具有導(dǎo)電功能的介質(zhì)，能夠?qū)存I延伸到合適的長(zhǎng)度或高度，如圖2所示。

圖2 采用金屬?gòu)椈裳由斓母袘?yīng)電極

圖3 硬件原理圖

典型應(yīng)用情況下，采樣電容C1或C2采用22 nF，限流電阻R1或R2采用1 kΩ。但是實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中需要根據(jù)感應(yīng)按鍵的靈敏度，對(duì)采樣電容的容值和限流電阻的阻值進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳效果。硬件原理圖如圖3所示。

4 函數(shù)庫(kù)安裝與軟件配置

要把ATmega48單片機(jī)的I/O口作為感應(yīng)按鍵輸入口來(lái)使用，首先需要安裝QTouch函數(shù)庫(kù)Atmel_QTouch_Libraries，目前比較新的函數(shù)庫(kù)版本是4.3。安裝完畢后，需要將與單片機(jī)對(duì)應(yīng)的庫(kù)文件加載到工程中。Atmel公司的集成開發(fā)環(huán)境AVR STudio提供了便捷的設(shè)置，新建一個(gè)工程后，可在Project→CONfiguration OptioNS→Libraries界面中添加函數(shù)庫(kù)鏈接文件。

其次，需要對(duì)I/O口進(jìn)行配置。在工程配置（Project→Configuration Options→Custom Options）界面設(shè)置相應(yīng)的宏定義參數(shù)即可，如圖4所示。

圖4 AVR Studio工程配置界面

D_QTOUCH_：需要使用QTouch函數(shù)庫(kù)。

DSNSK=C和DSNS=C：表示將ATmega48 PC口設(shè)置為感應(yīng)按鍵口。

DQT_NUM_CHANNELS=4：表示最大可用通道數(shù)量。

DQT_DELAY_CYCLES=1：表示采樣電容充放電周期時(shí)間。

另外，在應(yīng)用系統(tǒng)源程序中需要加入庫(kù)函數(shù)的頭文件。代碼如下：

#include touch_api.h

5 系統(tǒng)應(yīng)用

應(yīng)用流程如圖5所示。在系統(tǒng)初始化之后，首先調(diào)用config_sensors（）函數(shù)將需要的I/O口配置成感應(yīng)按鍵的采樣口，并對(duì)各個(gè)感應(yīng)按鍵的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行初始化。然后是設(shè)置感應(yīng)參數(shù)，這些參數(shù)包括按鍵校準(zhǔn)閾值、正向漂移值、負(fù)向漂移值、最大連續(xù)感應(yīng)時(shí)間等。最后，在應(yīng)用系統(tǒng)的主程序中，需要周期地調(diào)用庫(kù)函數(shù)qt_measuer_channels（）對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并檢測(cè)按鍵的狀態(tài)。

圖5 QTouch應(yīng)用流程

需要注意的是，感應(yīng)按鍵采集使用了系統(tǒng)的一個(gè)定時(shí)器中斷，因此，應(yīng)用系統(tǒng)中的中斷程序會(huì)對(duì)其造成一定的影響。這就要求在按鍵感應(yīng)的過(guò)程中，應(yīng)用系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序的處理時(shí)間越短越好。在電容感應(yīng)工作的時(shí)候，中斷服務(wù)程序處理時(shí)間不應(yīng)該超過(guò)1 ms，否則將嚴(yán)重影響感應(yīng)按鍵的靈敏度，甚至?xí)?dǎo)致感應(yīng)按鍵失靈。

應(yīng)用系統(tǒng)程序如下：

　　int main（ void ）{

　　init_system（）；/*系統(tǒng)初始化*/

　　config_sensors（）；/*將I/O口配置成感應(yīng)按鍵*/

　　qt_init_sensing（）；/*初始化感應(yīng)傳感器*/

　　qt_set_parameters（）；/*感應(yīng)參數(shù)設(shè)置*/

　　init_timer_isr（）；/*用于感應(yīng)按鍵的定時(shí)器設(shè)置*/

　　qt_filter_callback = 0;/*濾波參數(shù)選擇*/

　　__enable_interrupt（）；/*使能定時(shí)器中斷*//*應(yīng)用程序主循環(huán) */

　　while （1） {

　　if（ time_to_measure_touch ） {

　　time_to_measure_touch = 0u; /*繼續(xù)下一個(gè)采集周期*/

　　qt_measure_sensors（ current_time_ms_touch ）；/*感應(yīng)檢測(cè) */

　　}

　　KeyBuff = （qt_measure_data.qt_touch_status.sensor_states[0]）；/*獲取感應(yīng)按鍵狀態(tài)*/

　　……/*系統(tǒng)應(yīng)用程序*/

　　}

　　}

6 結(jié)語(yǔ)

基于Atmel QTouch技術(shù)的嵌入式感應(yīng)按鍵設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)難度，降低了系統(tǒng)的應(yīng)用成本，節(jié)省了印刷電路板的尺寸空間，系統(tǒng)應(yīng)用穩(wěn)定，可靈活應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中。