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市場上的消費電子產(chǎn)品已經(jīng)開始逐步采用觸摸感應(yīng)按鍵，以取代傳統(tǒng)的機械式按鍵。針對此趨勢，Silicon Labs公司推出了內(nèi)置微控制器(MCU)功能的電容式觸摸感應(yīng)按鍵(Capacitive Touch Sense)方案。電容式觸摸感應(yīng)按鍵開關(guān)，內(nèi)部是一個以電容器為基礎(chǔ)的開關(guān)。以傳導(dǎo)性物體（例如手指）觸摸電容器可改變電容，此改變會被內(nèi)置于微控制器內(nèi)的電路所偵測。 電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理 ◆Silicon Labs 現(xiàn)提供一種可偵測因觸摸而改變的電容的方法 電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理就是一個不斷地充電和放電的張弛振蕩器。如果不觸摸開關(guān)，張弛振蕩器有一個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關(guān)，就會增加電容器的介電常數(shù)，充電放電周期就變長，頻率就會相應(yīng)減少。所以，我們測量周期的變化，就可以偵測觸摸動作。 具體測量的方式有二種： (一)可以測量頻率，計算固定時間內(nèi)張弛振蕩器的周期數(shù)。如果在固定時間內(nèi)測到的周期數(shù)較原先校準的為少，則此開關(guān)便被視作為被按壓。 (二)也可以測量周期，即在固定次數(shù)的張弛周期間計算系統(tǒng)時鐘周期的總數(shù)。如果開關(guān)被按壓，則張弛振蕩器的頻率會減少，則在相同次數(shù)周期會測量到更多的系統(tǒng)時鐘周期。 Silicon Labs推出的C8051F9xx微控制器(MCU)系列，可通過使用芯片上比較器和定時器實現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵功能，連接最多23個感應(yīng)按鍵。而且無須外部器件，通過PCB走線/開關(guān)作為電容部分，由內(nèi)部觸摸感應(yīng)按鍵電路進行測量以得知電容值的變化。 ◆以Silicon Labs的MCU實現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵 利用Silicon Labs其它MCU系列，僅需搭配無源器件，即可實現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)按鍵方案。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是開關(guān)的數(shù)目，以及3個提供反饋的額外端口接點。C8051F93x-F92x之外，Silicon Labs其它MCU系列可直接連接12個開關(guān)，或者通過外部模擬多路復(fù)用器連接更多開關(guān)。 設(shè)計觸摸感應(yīng)按鍵開關(guān) 因為我們要偵測電容值的變化，所以希望變化幅度越大越好。現(xiàn)在，有三個主要因素會影響開關(guān)電容及變化幅度。
◆開關(guān)的形狀尺寸會如何影響開關(guān)的空閑和被接觸的狀態(tài) 由于開關(guān)上方的材料種類，會影響閑置電容和電容的變化率。我們還測試了玻璃、有機玻璃Mylar聚酯薄膜、ABS塑料和FR4玻璃纖維，這幾種不同材料。我們發(fā)現(xiàn)，盡可能使用最薄的材料，使電容變化極大化。而且，建議使用具有高介電常數(shù)的材料，例如玻璃，以增加開關(guān)的絕對電容。 總結(jié) Silicon Labs的電容式觸摸感應(yīng)按鍵的優(yōu)點很多。首先，只需要很少的微控制器開銷(overhead)。設(shè)計一個開關(guān)僅需443字節(jié)碼空間，每多增加一個開關(guān)僅需多增加額外的 1字節(jié)。硬件資源只需要一個比較器和定時器。還可以采用高效率算法，讓微控制器可以進入低功耗模式，并能定期喚醒以偵測開關(guān)動作�？傮w只占用低于0.05% 的CPU資源。 其次，沒有外部硬件開銷。可以將開關(guān)走線直接連至MCU端口管腳，無須其它外部的反饋電阻器或電容器。 而且芯片配置也很簡單。無論開關(guān)使用為何材料，完成都很容易。另外，按鍵的偵測，不易受到噪聲和供應(yīng)電壓的影響。不受50/60 Hz噪聲的影響，也不需要精密電壓源(VDD)。 常見問答 (摘自2008年12月Silicon Labs在線座談中的問答環(huán)節(jié)) 問：如何調(diào)整觸摸靈敏度？是設(shè)計時固定的，還是到現(xiàn)場可以進行調(diào)整的？ 答：靈敏度是通過實驗來做的，客戶可以對不同狀況下的值進行記錄，然后保存到flash中，這樣實際使用時，不同狀況下，系統(tǒng)會用不同值來工作，實現(xiàn)適合的靈敏度。靈敏度是設(shè)計時確定的，也可以設(shè)計成自學習型的。 問：一個開關(guān)需要一個定時器和一個比較器，多個開關(guān)是共用定時器和比較器嗎 答：對于多個開關(guān)，采用一個多路復(fù)用器，就可以共同使用一個定時器和比較器了。 問：如何消除和區(qū)分電容觸摸的誤觸摸？ 答：確定觸摸式按鍵是否被按下可以通過檢測頻率或者周期來實現(xiàn)。而消除和區(qū)別誤觸摸，則要通過軟件上一些校準的算法來實現(xiàn)。具體的信息，可以登陸www.silabs.com下載詳細的參考應(yīng)用。 問：貴公司的電容式觸摸芯片有休眠功能嗎？如何喚醒？ 答：有休眠功能，我們F9xx系列單片機支持sleep、suspend睡眠狀態(tài)�？梢酝ㄟ^IO、外部中斷、比較器等喚醒。 問：和電阻式觸摸按鍵相比，電容式觸摸按鍵有哪些優(yōu)點，是否存在不足？ 答：電阻式的要用A/D采樣，并且人的電阻很大，采樣比較困難，每個人的電阻差異也很大。 抗干方面，電容式的更好一些。 問：我的手要在按鍵放多久才能被檢測? 答：人的動作是以百毫秒來計算的，而IC內(nèi)部檢測是否有按鍵按下的時間通過數(shù)千個機器周期就可以確定，時間等級差很多。因此基本上手一放上去就會被檢測到。 問：電容式觸摸按鍵有沒有防水防潮設(shè)計，如果使用環(huán)境在一些潮濕場所，例如啤酒生產(chǎn)，使用電容式觸摸按鍵是否合適？ 答：你可以在"電容式觸摸按鍵"的外面加一層塑料或其他介質(zhì)進行保護。另外，當"按鍵"受到污染，"空閑電容，idle capactiance"變大時，你可使用算法來刷新/標定你的檢測門限(重新標定時間常數(shù)，RC) 。 問：c8051F9xx可以同時監(jiān)測多少路的按鍵動作？處理速度能達到多少？ 答：C8051F9xx最高速度是24.5MHz，電容感應(yīng)的響應(yīng)時間是由電容充放電時間決定的，即與時間常數(shù)有關(guān)。一般一個周期為1000~2000個系統(tǒng)時間周期/SYSCLK， 故響應(yīng)時間小于為2*2000*1/24.5MHz = 160uS。 人的動作為上百mS級的，MCU有足夠的時間去處理按鍵響應(yīng)。由于受到I/O口的限制，C8051F9xx最多能做到23個按鍵。 問：為了提高按鍵的抗干擾能力，在繪制PCB圖時應(yīng)注意哪些問題？ 答：按鍵與單片機IO間走線需要越短越好。 問：為了提高按鍵的靈敏度和準確度，編程時應(yīng)如何如何對其進行處理？ 答：靈敏度和準確度是相反的一組值。你必須要自己選一個中間值來平衡。 問：如果我想更多的了解和學習電容式觸摸按鍵技術(shù)，請問有無相關(guān)書記和資料課提供？謝謝 答：有的，我們有電容按鍵的參考設(shè)計，包含軟硬件以及源代碼。請到www.silabs.com網(wǎng)站上下載應(yīng)用文檔，AN338 Capacitive Touch Sense Solution.pdf，也可以聯(lián)系我們益登科技相關(guān)辦事處，獲取詳細設(shè)計資料及指導(dǎo)。 問：假如我需要開發(fā)電容式觸摸按鍵技術(shù)，請問我應(yīng)該買什么開發(fā)工具和軟件？ 答：可以購買我們提供的C8051F931-based ToolStick 與Capacitive Touch Sense，或者C8051F930DK等開發(fā)套件，套件中包含設(shè)計資料和參考代碼。 |
