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1、电容式触摸感应按键的基本原理电容式触摸感应按键的基本原理就是一个不断地充电和放电的张弛振荡器。 如果不触摸开关，张弛 振荡器有一个固定的充电放电周期，频率是可以测量的。 如果我们用手指或者触摸笔接触开关，就会增加电容器的介电常数，充电放电周 期就变长，频率就会相应减 少。所以，我们测量周期的变化，就可以侦测触摸 动作。具体测量的方式有二种：（一）可以测量频率，计算固定时间内张弛振荡器的周期数。如果在固定时间 内测到的周期数较原先校准的为少，则此开关便被视作为被按压。（二）也可以测量周期，即在固定次数的张弛周期间计算系统时钟周期的总数 如果开关被按压，则张弛振荡器的频率会减少，则在相同次数周期会
2、测量到更多 的系统时钟周期。Silicon Labs推出的C8051F9xx微控制器（MCU）系列，可通过使用芯片上比较 器和定时器实现触摸感应按键功能，连接最多23 个感应按键。而且无须外部器 件，通过 PCB 走线/开关作为电容部分，由内部触摸感应按键电路进行测量以得 知电容值的变化。以Silicon Labs的MCU实现触摸感应按键利用Silicon Labs其它MCU系列，仅需搭配无源器件，即可实现电容式触摸 感应按键方案。与C8051F93x-F92x方案相比，唯一所需的外部器件是(3+N)电阻 器，其中N是开关的数目，以及3个提供反馈的额外端口接点。C8051F93x-F92x 之
3、外，Silicon Labs其它MCU系列可直接连接12个开关，或者通过外部模拟多路 复用器连接更多开关。设计触摸感应按键开关因为我们要侦测电容值的变化，所以希望变化幅度越大越好。现在，有三个 主要因素会影响开关电容及变化幅度。PCB上开关的大小、形状和配置PCB走线和使用者手指间的材料种类 连接开关和MCU的走线特性我们测试了下图中这12种不同开关。目的是为了发现开关的形状尺寸会如 何影响开关的空闲和被 接触的状态，还可以发现哪一种开关的空闲电容最大， 就不容易被PCB上的寄生电容而影响。测试结果表明，在特定区域中的开关越大 且走线越多，则此开关的闲置电容便越高。图中的环状开关具有最低的电容
4、， 所以当开关动作时，可显现最大的电容相对变化。开关的形状尺寸会如何影响开关的空闲和被接触的状态由于开关上方的材料种类，会影响闲置电容和电容的变化率。我们还测试了 玻璃、有机玻璃Mylar聚酯薄膜、ABS塑料和FR4玻璃纤维，这几种不同材料。 我们发现，尽可能使用最薄的材料，使电容变化极大化。而且，建议使用具有高 介电常数的 材料，例如玻璃，以增加开关的绝对电容。总结Silicon Labs 的电容式触摸感应按键的优点很多。首先，只需要很少的微控制 器开销(overhead)。设计一个开关仅需443字节码空间，每多增加一个开关仅 需 多增加额外的 1 字节。硬件资源只需要一个比较器和定时器。还
5、可以采用高效 率算法，让微控制器可以进入低功耗模式，并能定期唤醒以侦测开关动作。总体 只占用低于 % 的 CPU 资源。其次，没有外部硬件开销。可以将开关走线直接连至 MCU 端口管脚，无须 其它外部的反馈电阻器或电容器。而且芯片配置也很简单。无论开关使用为何材料，完成都很容易。另外，按 键的侦测，不易受到噪声和供应电压的影响。不受50/60 Hz 噪声的影响，也不 需要精密电压源(VDD)。常见问答(摘自2008年12月Silicon Labs在线座谈中的问答环节)问题回答问：如何调整触摸灵敏度是设计时 固定的，还是到现场可以进行调整的答：灵敏度是通过实验来做的，客 户可以对不同状况下的值进
6、行记录，然 后保存到flash中，这样实际使用时，不 同状况下，系统会用不同值来工作，实 现适合的灵敏度。灵敏度是设计时确定 的，也可以设计成自学习型的。问：一个开关需要一个定时器和一答：对于多个开关，采用一个多路个比较器，多个开关是共用定时器和比 较器吗复用器，就可以共同使用一个定时器和 比较器了。问：如何消除和区分电容触摸的误 触摸答：确定触摸式按键是否被按下可 以通过检测频率或者周期来实现。而消 除和区别误触摸，则要通过软件上一些 校准的算法来实现。具体的信息，可以 登陆下载详细的参考应用。问：贵公司的电容式触摸芯片有休 眠功能吗如何唤醒答：有休眠功能，我们F9xx系列单 片机支持sle
7、ep、suspend睡眠状态。可 以通过10、外部中断、比较器等唤醒。问：和电阻式触摸按键相比，电容 式触摸按键有哪些优点，是否存在不足答：电阻式的要用A/D采样，并且 人的电阻很大，采样比较困难，每个人 的电阻差异也很大。抗干方面，电容式的更好 些。问：我的手要在按键放多久才能被 检测答：人的动作是以百毫秒来计算的， 而IC内部检测是否有按键按下的时间通 过数千个机器周期就可以确定，时间等 级差很多。因此基本上手一放上去就会 被检测到。问：电容式触摸按键有没有防水防 潮设计，如果使用环境在一些潮湿场所, 例如啤酒生产，使用电容式触摸按键是 否合适答：你可以在电容式触摸按键的 外面加一层塑料或
8、其他介质进行保护。 另外，当按键受到污染，空闲电容， idle capactia nee变大时，你可使用算法 来刷新/标定你的检测门限（重新标定时 间常数，RC）。问：c8051F9xx可以同时监测多少路 的按键动作处理速度能达到多少答：C8051F9xx最高速度是，电容感 应的响应时间是由电容充放电时间决定 的，即与时间常数有关。一般一个周期 为10002000个系统时间周期/SYSCLK， 故响应时间小于为2*2000*1/= 160uS。人的动作为上百mS级的，MCU有 足够的时间去处理按键响应。由于受到 I/O 口的限制,C8051F9xx最多能做到23 个按键。为了提高按键的抗干扰能
9、力，在绘 制PCB图时应注意哪些问题答：按键与单片机IO间走线需要越 短越好。为了提高按键的灵敏度和准确度， 编程时应如何如何对其进行处理答：灵敏度和准确度是相反的一组 值。你必须要自己选 个中间值来平衡。如果我想更多的了解和学习电容式 触摸按键技术，请问有无相关书记和资 料课提供谢谢答：有的，我们有电容按键的参考 设计，包含软硬件以及源代码。请到网 站上下载应用文档，AN338 CapacitiveTouch Sense，也可以联系我们益登科技 相关办事处，获取详细设计资料及指导。假如我需要开发电容式触摸按键技 术，请问我应该买什么开发工具和软件答：可以购买我们提供的C8051F931-ba
10、sed ToolStick 与 Capacitive Touch Sense，或者 C8051F930DK 等开发 套件，套件中包含设计资料和参考代码。电容式感应按键电路设计流程及要点电容式触控技术在厨房设备中的应用已经有几年了，例如在烤箱和煎锅的不透 明玻璃面板后面采用分离按键实现。这些触摸控制键逐渐替代了机械按键，因为 后者具有使用寿命短、不够卫生等方面的问题，而且还有在面板上开孔安装按键 的相关成本，图1是电容式感应技术原理示意 图。电容式感应技术由于具有 耐用、较易于低成本实现 等特点，而逐渐成为触摸 控制的首选技术。此外， 由于具有可扩展性，该技 术还可以提供其它技术所 不能实现的用
11、户功能。在 显示屏上以软按键方式提 供用户界面，这通常被称为触摸屏。触摸输入滚动/指示功能器件，例如iPod音乐播放器上的点击式转盘，这类器件 在消费市场已经获得广泛的认可，正在逐渐出现在更多的消费设备市场。 有两 种基本类型的滚动器件：第一种是绝对报告类型，提供直接位置输出报告；另外 一种是相对类型，这类器件提供用来增加或减少某个值的直接报告。使用电容式感应的 IC 设 计感应开关电路板与其它电路的开发流程略有不同，因 为电容式开关的设计上会受到机构与其它电路设计上的影响，会有比较多的调整 程序，所以需要一个比较复杂 的开发流程，现就以出道较早且具有代表性的 “Quantum ”产品的开发流
12、程及要点介绍给大家，希望对需要的朋友有所帮助。下 图是开发流程图： 1. Step 1 ：机构设计：丄况币不n?5krP 6OLANTIJM SENSOR 開盘龍鬼怖嫌阖H3切能丁姑功惦正甜&K|i 2低横棉港計诀 宦述妙电厠的 尺寸只片*WAUflhSUAkxp T 確宅!HQM6-1 胡罡:蛊眾归Skr t 惯确没卄Sl j-p 3 娅耐価+r KM烈+庇怖綜a. 面板的材质必须是塑料，玻璃，等非导电物质。b. 在机构设计阶段同时也必需设计操作流程，以选择合适的产品，如果是 按键的产品，要考虑是否有复合按键的设计，或是综合滑动操作及按键 操作等，如果是以滑动操作的产品，就必须考虑是否需要切
13、割出按键。c. 由于感应电极与面板接触点之间不能有空隙，所以机构设计上必须考虑 将感应验路板直接黏贴在外壳面板的内侧，以及考虑面板的组装方式。d. 同样的，感应电极与手指之间不能有金属层夹在中间，所以面板上不可 以有金属电镀及含金属超过 15%的喷漆等会形成导电层的设计。e. 如果必须电镀或高金属含量漆，请在按键区域的边缘保留一圈不要电镀 或喷漆，用以隔绝其它感应开关。f. 如果面板是有弧度而非平面，可以利用软板、弹簧、导电橡皮等导电物 将感应电极延伸到面板上，并在面板内侧制造出感应电极，如果面板与 感应电极之间有空隙也可以用这个方式填补空隙，或加厚感应电极区域 的面板。g. 机构设计的外壳厚
14、度会影响感应电极的大小，所以必须先完成机构设 计，才能接续开发流程。h. 如果感应电路板后面有大片金属或电路板，必须保留若干空隙，以避免 灵敏度降低或干扰感应电极，如果是金属板，金属板必须接地，空隙保 留至少 0.3mm 以上，如果是电路板，尽量减少高频电路经过，并保留至 少 1.0mm 的空隙。i. 有上述状况的感应电路板，虽然保留了足够的间距，最好能将感应电极 再加大，以利后续调整灵敏度的步骤。j. 感应电极可以用电路板铜箔来做，亦可以采用FPC软性电路板，ITO蚀 刻,ORGACON印刷，银漆印刷，石墨(CARBON)印刷等导电物质。2. Step 2：决定感应电极的尺寸：a. 依照机构
15、设计的面板厚度决定感应电极的最小尺寸，面板厚度 1mm 时 感应电极最小 3mm 直径的圆，面板厚度 7mm 时感应电极最小 10mm 直 径的圆，在机构及电路板空间的允许下尽量将感应电极加大。b. 感应电极最小不可以小于 1/3 个手指的面积。c. 注意感应电极附近是否有金属螺丝或铁板等大型金属物，如果有，必须 将金属物接地，并再加大感应电极的面积，以避免灵敏度降低。d. 如果在感应电极中开孔加装LED,必须加大感应电极以弥补开孔所损失 的面积，所以增加的感应电极面积至少必须相等于开孔的面积。且揺蚯IBck-firiri/SPIT LED厶Elert nodeClear orirsnsluc&nt /adhesiveOther SWT campaneni5e. 感应电极可以是任何形状,但是尽可能采用圆形或方形,如果必须利用 所有的空间来增加感应电极的面积,尽量避免将感应电极设计成狭长的 形状。3. Step 3：感应电路板电路设计及布线：a. 电路设计以 IC 规格书内的范例电路为基础即可。b. 必须利用稳压IC(VOLTAGE REGULATOR)来确保QUANTUM IC的电源是干 净没有噪声的。c. 感应电极附属的电阻与电容要尽量靠近IC,如果是双面板或是多
