电容式触摸感应按键解决方案AD

前一段时间,做了一个使用 HT45R35 芯片的触摸按键项目,属于是芯片自带专门应用于触摸键功能的”专用芯片”.近日,再次对触摸按键进行实践—-使用 AD 转换方式.这样,就不要专门功能的芯片了.同时,调试更加简单方便,也没有了许多限制.

下图是一个该实践的原理图,每一个按键包含了 10P,104 电容器,一只贴片封装的双二极管, 3 个电阻.项目里使用的按键数量没有限制.完全可以根据需要来决定.但是,需要单片机具有相同数量的 AD 输入接口.(—-或者使用多路模拟开关反而成本上升,电路复杂,尽量不要这么干.)

不管是哪一种测量方式,都需要有一个参考量.电容量→定时/计数方式的参考值是通过检测没有触摸按键时的计数值来实时得到,而 AD 方式的参考值就是基准电压,它无需任何手段就是天然存在的.

使用 AD 测量的 电容触摸按键 电路

触摸按键实践(3)

电容式感应按键以其无机械磨损、寿命长、防水防污、易清洁和时尚的特点, 近几年应用 领域和数量迅速增加. 因此, 结合电容感应按键的特点, 设计了一种用A/D 口搭配简单的电路实 现电容感应按键的方法. 经测试, 电路的稳定性较高, 在低成本的电路中适用性较强.

触摸控制技术又可分为触摸屏(Touch Screen) 技术和触摸按键(TouchKey)技术. 在触摸按键技 术方面, 目前主要可分为电阻式触摸按键与电容 式感应按键. 由于电阻式的触摸按键需要在设备 表面贴一张触摸电阻薄膜, 其耐用性较低, 而电容感应按键技术具有在非金属操作面板上无须开 孔处理、防水防污、易清洁、无机械开关磨损而寿 命长等优点. 近几年随着苹果公司将电容触摸感 应技术从笔记本电脑引用到iPod 后, 电容触摸感 应热浪正席卷几乎所有电子产品, 从笔记本电脑、 智能电话、PDA、游戏机等手持设备, 到LCD TV、 DVD 等消费电子产品, 再到洗衣机、空调、冰箱、 热水器、电磁炉以及咖啡壶等大小家电, 无不以加 入电容触摸感应为新的卖点.

目前, 世界知名电 子元件供应商均加大了对电容触摸按键的应用研 究, 并推出众多的专业芯片, 有专用电容感应按键 类的全ASIC, 也有众多基于MCU集成类的IC. 但这些芯片价格较高, 在一些按键数量少、成本要求 低的电路中很难得到运用. 另外, 使用这些集成类 IC, 很难做到所选资源恰好等于使用的情况, 存在资源的浪费情况. 而且对于升级成熟产品的机械 式按键, 还存在变更原MCU 代码的风险. 同时, 目 前, 对于电容式触摸按键的介绍大多也停留在基 于电容量测量的原理上. 结合电容感应按键 的原理, 设计了一种用MCU 的A/D 口实现电容触 摸按键的低成本电路.

1 电容式感应按键原理

平行板电容器具有 2 个极板, 其间隔着1 层介 质, 电容器中的大部分能量直接聚集在2 个极板之 间, 1 个极板电荷数量的变化将引起另外极板电荷 的增减, 从而在电容内部形成电流. 电容式感应按键的原理如图1 所示, 感应按键 的金属电极, 放置于非金属面板内, 并连接交变的 电信号. 如果在非金属面板另一侧与金属电极对 应处放置另外1 块金属板(图2), 那么, 2 个极板就 组成了平行板电容器, 非金属面板成为此平行板 电容器的介质. 由于电场被封闭在2 个金属极板之 间, 所以大部分能量均集中在非金属面板内. 如果在非金属面板外隔着金属, 手指触摸对其能量损失的影响就很小.

图1 电容感应按键示意图

去除外侧的金属板, 电场的能量就会穿过非 金属的密集区, 向外传播(图3).

(2) 当U0≤2Vd 时, 放电回路为图5(d), 放电 电路的

其电容电 压为:

.

由于电路中脉冲占空比为50%, 充放电时间

在该电路中, 充放电电阻大, 流过的充放电电 流小, 二极管1N4148 的导通电压也较小, 若以充 电电路为图5(a)、放电电路为图5(c)来计算, 充电 时间常数τ = 放电时间常数= 0.1s, 而充放电时间 为

假定二极管电压在微弱电流下按0.2 V 计算 根据(1)式和(2)式, 运用迭代可计算出电容电压最 后稳定在5.9 V,而以上计算不考虑由手指触摸等 任何情况引起的能量损耗.

图7 手指触摸时的电平变化

电路参数对感应灵敏度的影响

输入脉冲影响

输入脉冲的幅值决定了 C1上稳态电压, 如果 脉冲幅值不稳定, 就会导致 C1上的电压波动. 如 果该幅值变化引起的电容电压变化量ΔV 超过了 检测的最小检测精度, 即使没有手指靠近, 也会造 成读键的误判, 所以脉冲电压幅度要稳定. 此外, 输入脉冲的频率同样也会影响到 C1电 容的工作状态, 如果输入脉冲的频率过低, 则 C1电压纹波会加大, 感应灵敏度下降; 反之, 输入脉 冲的频率过高, 则线路损耗加大, 而且触摸容易受 到干扰.

充放电电阻值的影响

如果同时改变 R1,R2 的阻值, 例如将阻值改为100KΩ, 充放电时间常数减少10 倍, 因

虽然 C1上电压变化不大, 但此时 C1上的充放 电电流却显著增强, 使得手指触摸的灵敏度下降. 所以, 电路中 R1,R2的阻值一定要选取恰当. 二极管的影响

由于上述电容式感应按键电路工作频率高, 且流经电流小, 所以应当选择结电容小、开关速度 快、正向导通电压低的二极管. 另外, 二极管的工 作可靠性一定要好,D1,D2任一短路、断路都会破 坏充放电回路, 从而使触摸电路失效.

电容感应电极的形式

电容式感应按键的感应电极有很多种, 常用 的感应电极有PCB 板上的电极及弹簧金属片式电 极. 电极形式可以根据外观进行任意设计, 如圆 形、方形、三角形等. 但无论电极以哪种形式出现 其周围都应尽量远离地: PCB 双面板电极对应的另 一面铜箔应当刻蚀去除, 弹簧电极周围的PCB 铜 箔也要刻蚀去除. 否则, 感应电极与金属之间将形 成感应电流, 削弱了手指或外界导电物靠近电极 时电路的灵敏度.

同时, 电极应当与非金属面板紧贴, 如果中间 有空隙, 相当于增加了感应距离, 使感应灵敏度降 低. 感应电极的面积和非金属面板的厚度影响了 感应的灵敏度. 实际应用中, 目前厚8mm 以下的 钢化玻璃, 其圆形金属感应电极直径不小于12 mm.

这种用分离元件组成触摸感应按键用的低成 本电路, 在按键数量不多的情况下应用, 可根据按 键数量多少进行自由组合感应电极数量和最简电 路数量, 充分利用资源. 同时, 对于升级原成熟产 品, 仅需选择原MCU 系列中带A/D 端口的产品, 编写读取触摸按键的程序, 可以很顺利地完成程 序替换. 该电路目前成功运用于油烟机、消毒柜、 微波炉、蒸箱、烤箱等一系列产品上, 顺利通过 EMC 标准的测试要求, 市场质量表现稳定可靠.

来源：酒馆【酒友】