簡述8位MCU的觸摸按鍵設(shè)計方案
0 前言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202206.htmMCU(Micro Controller Unit)中文名稱為多點(diǎn)控制單元,又稱單片微型計算機(jī)(Single Chip Microcomputer),是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展,將計算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片級的計算機(jī),為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。
在需要用戶界面的應(yīng)用方案中,傳統(tǒng)的機(jī)電開關(guān)正在被電容式觸摸感應(yīng)控制所替代。通過對由一個電阻和觸摸電極電容組成的RC充放電時間的控制,該觸摸感應(yīng)軟件可以檢測到人手的觸摸。由于電極電容的改變,導(dǎo)致的RC充放電時間的改變,能夠被檢測出來,然后經(jīng)過濾波等,最終通過專用的I/O端口,或者I2C/SPI接口發(fā)送給主機(jī)系統(tǒng)。該軟件庫所需的元器件BOM表,成本低廉,因為每個通道只需要兩個電阻就可以實現(xiàn)觸摸檢測功能。
1 RC感應(yīng)原理
RC采樣原理就是通過測量觸摸電極電容的微小變化,來感知人體對電容式觸摸感應(yīng)器(按鍵、滾輪或者滑條)的觸摸。
電極電容(C)通過一個固定的電阻(R)周期性地充放電。 電容值取決于以下幾個參數(shù):電極面積(A),絕緣體相對介電常數(shù)( ),空氣相對濕度( ),以及兩個電極之間的距離(d)。電容值可由下列公式得出:
圖1 RC電壓檢測
固定電壓施加在 , 的電壓隨著電容值的變化而相應(yīng)增加或者降低, 如圖2所示。
圖2 測量充電時間
通過計算 的電壓達(dá)到閥值 所需要的充電時間( ),來得到電容值(C)。 在觸摸感應(yīng)應(yīng)用中,電容值(C)由兩部分組成:固定電容(電極電容, )和當(dāng)人手接觸或者靠近電極時,由人手帶來的電容(感應(yīng)電容, )。 利用該原理,就可以檢測到手指是否觸摸了電極。
圖3 觸摸感應(yīng)
這就是用于檢測人手觸摸的觸摸感應(yīng)軟件中感應(yīng)層所采用的基本原理。
2 硬件實現(xiàn)
圖4顯示了一個實現(xiàn)的實例。由R1,R2以及電容電極( )和手指電容( )并聯(lián)的電容(大約5pF) 形成一個RC網(wǎng)絡(luò),通過對該RC網(wǎng)絡(luò)充放電時間的測量,可以檢測到人手的觸摸。 所有電極共享一個“負(fù)載I/O”引腳。電容R2(10K?)是可選的,用于減少對噪聲影響。
圖4 電容觸摸感應(yīng)實現(xiàn)實例
3 軟件實現(xiàn)
本章描述了觸摸感應(yīng)RC原理的實現(xiàn)。
3.1 充電時間測量原理
為了保證健壯的電容觸摸感應(yīng)的應(yīng)用,充電時間的測量需要足夠的精確。
采用一個簡單的定時器(無需IC功能)和一系列簡單的軟件操作,即定時地檢查感應(yīng)I/O端口上的電壓是否達(dá)到閥值。
3.2 基本測量
使用普通定時器進(jìn)行充電時間的測量。對電容充電開始之前,定時器的計數(shù)器數(shù)值被記錄下來。當(dāng)采樣I/O端口上的電壓達(dá)到某個閥值( )時,再次記錄定時器計數(shù)器的值。二者之差就是 充電或者放電的時間。
圖5 定時器計數(shù)器值
3.3 過采樣
過采樣的目的是以CPU時鐘的精度,對輸入電壓達(dá)到高電平和低電平( 和 )的時間測量。 為了跨越所有的取值范圍,每次測量都比上一次測量延遲一個CPU時鐘周期的時間。
圖6 輸入電壓測量
3.4 輸入電壓測量的原理
為了提高在電壓和溫度變動情況下的穩(wěn)定性,對電極會進(jìn)行連續(xù)兩次的測量:第一次測量對電容的充電時間,直到輸入電壓升至 。第二次測量電容的放電時間,直到輸入電壓降至 。下圖以及以下的表格詳細(xì)說明了對感應(yīng)電極(感應(yīng)I/O)和負(fù)載I/O引腳上的操作流程。
表2 電容充放電測量步驟
3.5 觸摸的效果
電極的電容值( )取決于以下幾個主要因素:電極的形狀、大小,觸摸感應(yīng)控制器到電極之間的 布線(尤其是地耦合),以及介電面板的材料和厚度。圖8說明了這種“觸摸的效果”。 時間(即達(dá)到了 電平的時刻)比長;同樣對于降至 電平的時間也比長。
圖8 觸摸效果實例
3.6 多次測量以及高頻噪聲的去除
為了提高測量的精確度,并去除高頻噪聲,有必要對 和 進(jìn)行多次的測量,然后再決定是否有按鍵被有效“觸摸”。
圖9 測量的種類
注意:下圖說明了去除噪聲的實例。如果測量次數(shù)(N)設(shè)置為4,那么對一個電極的完整測量將包括4次正確的“連續(xù)組測量”(BGs)。
圖10 顯示了沒有噪聲的影響,所有測量都有效的情況。 這個例子中,每個連續(xù)組測量中的測量都有效,使得一個完整的測量很快就可以完成。
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