前一段時(shí)間,做了一個(gè)使用 HT45R35 芯片的觸摸按鍵項(xiàng)目,屬于是芯片自帶專門應(yīng)用于觸摸鍵功能的'專用芯片'.近日,再次對(duì)觸摸按鍵進(jìn)行實(shí)踐----使用 AD 轉(zhuǎn)換方式.這樣,就不要專門功能的芯片了.同時(shí),調(diào)試更加簡單方便,也沒有了許多限制.
下圖是一個(gè)該實(shí)踐的原理圖,每一個(gè)按鍵包含了 10P,104 電容器,一只貼片封裝的雙二極管, 3 個(gè)電阻.項(xiàng)目里使用的按鍵數(shù)量沒有限制.完全可以根據(jù)需要來決定.但是,需要單片機(jī)具有相同數(shù)量的 AD 輸入接口.(----或者使用多路模擬開關(guān)反而成本上升,電路復(fù)雜,盡量不要這么干.)
不管是哪一種測量方式,都需要有一個(gè)參考量.電容量→定時(shí)/計(jì)數(shù)方式的參考值是通過檢測沒有觸摸按鍵時(shí)的計(jì)數(shù)值來實(shí)時(shí)得到,而 AD 方式的參考值就是基準(zhǔn)電壓,它無需任何手段就是天然存在的.
無需追求 AD 的位數(shù),可以使用僅僅 8 位的 AD 轉(zhuǎn)換就足夠了.
電路工作原理是: 一個(gè)由單片機(jī)輸出的 PWM 信號(hào)(沒有 PWM 輸出的芯片可以使用一個(gè)普通 I/O ,只要能夠輸出滿足要求的頻率就可以了.)
這個(gè)信號(hào)頻率與 10P 電容器有關(guān)系.頻率低了,10P 電容器的容抗就會(huì)增大,造成后級(jí)二極管整流的電流下降,影響速度.加大電容量是受到人手觸摸電容量的限制,這個(gè) 10P 電容量必須與人手觸摸電容器有一個(gè)合適的配置.盡量讓人手的觸摸電容量與這個(gè) 10P 電容器的容量相同是最理想的.(可以更換 10P 電容器的大小來達(dá)到.)
例如:
如果使用 1K 對(duì) 1K 的電阻去分壓一個(gè) 1V 的電壓,這是最理想的.而如果使用一個(gè) 1Ω 的電阻與一個(gè) 10MΩ 的電阻去分壓,那么,這個(gè)分壓效果就很差很差了.
由此可以知道:首先是從人手的觸摸電容量出發(fā),去決定 10P 電容器的電容量,而后,是根據(jù)這些電容量去決定信號(hào)頻率的高低.這就是為什么不能直接使用 50HZ 交流電頻率的原因.
通常,AD 轉(zhuǎn)換有一個(gè)基準(zhǔn)電壓,可以使用與系統(tǒng)供電相同的 +5V 作為基準(zhǔn)電壓.有些芯片的 AD 還可以改變基準(zhǔn)電壓的,則可以使用 2.5V 作為基準(zhǔn)電壓,靈敏度更高一些.
不管是電容量→計(jì)數(shù)器方式還是電容量→電壓方式,都要有一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn),前者是實(shí)時(shí)測量得到參考值,后者就有一個(gè)天然的標(biāo)準(zhǔn)參考--基準(zhǔn)電壓.這就是使用 AD 方式的好處之一!
對(duì)較高頻率的信號(hào)來說,10P 電容器的容抗約為 30KΩ～50KΩ 左右(取決于信號(hào)頻率與電容量大小),它經(jīng)過雙二極管 A7 構(gòu)成的倍壓整流之后,可以得到約 2.2～3.5V 的直流電壓.這就是沒有觸摸按鍵時(shí)的輸出電壓.由于有 AD 基準(zhǔn)的約束,每只按鍵的讀數(shù)是大致固定的.以基準(zhǔn)=5V為例,讀數(shù)就是 7FH 左右.這個(gè)電壓可以比較隨便的在印刷板上布線,不像電容量→計(jì)數(shù)器方式的一樣麻煩,這是使用 AD 方式的第二大好處!
倍壓整流后由一只 104 的電容器進(jìn)行濾波,得到較為平滑的直流電壓.這個(gè)直流電壓顯然可以非常方便的傳送.幾乎沒有什么顧忌.(電容量→定時(shí)/計(jì)數(shù)方式的則不允許亂布線).
這里,需要提及與 104 電容器并聯(lián)的 3M 電阻,這個(gè)電阻是給電容器放電使用的,可以根據(jù)對(duì)按鍵的反應(yīng)速度調(diào)整其大小.(具體還得看看實(shí)際使用芯片的 AD 輸入端口的阻抗大小).當(dāng)不用這個(gè)電阻時(shí)(=無窮大),反應(yīng)速度最慢.而且,如果取值較少,電壓就會(huì)上不去.----中間如果插入一個(gè)運(yùn)放跟隨器就好了!
還要提及的是 AD 轉(zhuǎn)換的速率,盡量使用較快的速率,較高的系統(tǒng)時(shí)鐘,因?yàn)橄鄬?duì)于機(jī)械式按鍵來說,處理觸摸式按鍵是比較麻煩的,耗費(fèi)的指令也多得多.
現(xiàn)在,關(guān)鍵的問題就是進(jìn)行觸摸調(diào)試了.試著用手觸摸一個(gè)按鍵,使用直流電壓表看看它的直流輸出電壓是否有變化?變化多少?時(shí)間快慢?
根據(jù)實(shí)際測試,在觸摸著按鍵時(shí),輸出電壓會(huì)下降到?jīng)]有觸摸時(shí)的 50% 以下,但是時(shí)間會(huì)達(dá)到 2～3S .此時(shí),可以細(xì)心調(diào)整 3M 電阻或者 104 電容器的大小.一般的,如果能夠在 0.25S之內(nèi),電壓下降到原來數(shù)值的 80%～90% 就差不多了.
判斷哪一個(gè)按鍵被觸摸了是很容易的事情了,就看看 AD 讀數(shù)吧.它是有方向的,不用理會(huì)≥參考值,僅僅看看＜參考值多少就是了.根據(jù)這個(gè)'多少'界線,還可以調(diào)整觸摸靈敏度呢.靈敏度太高,測量值的波動(dòng)會(huì)引起按鍵還沒有觸摸就有效了,靈敏度太小,就是摸了半天也沒有反應(yīng).
帶 AD 的單片機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)很多了,例如 SN8P27XXX 系列,HT46XXXX,HT45XXX 系列,都有許多帶 AD 的單片機(jī),其中, HT45R54 自帶 24 路 AD,HT46R343 自帶 16 路 AD .還有 Flash的HT46F25* ,自帶 12 路 AD 而且可以反反復(fù)復(fù)燒寫/擦除,做試驗(yàn)是最好的了!
現(xiàn)在市場上有許多專門供貨觸摸按鍵芯片的,也有許多技術(shù)文章,總之,各師各法,實(shí)際處理觸摸按鍵就像電壓比較器一樣,不需要知道其值的具體大小,僅僅判斷有'高'電平還是'低'電平就足夠了.----應(yīng)該屬于臨界判斷.
根據(jù)上面所說,接下來,我會(huì)使用普通單片機(jī)來實(shí)踐做觸摸按鍵.既不使用專用芯片(電容量→定時(shí)/計(jì)數(shù)),也不使用自帶 AD 芯片(電容量→電壓→AD 轉(zhuǎn)換),就直接使用普通單片機(jī)的端口+電壓比較器來做.這樣是否會(huì)讓電路多放置一只比較器芯片?不!就使用自帶運(yùn)算放大器或者自帶比較器的芯片.同樣簡單容易.-----也可能失敗啊!歡迎各位指導(dǎo)!
正是有了許許多多的自帶 AD 的單片機(jī),因此,那種使用外掛多路模擬開關(guān)的方法就不好用了.(多路 AD 實(shí)際芯片內(nèi)部就有了多路模擬開關(guān)).在盛揚(yáng)半導(dǎo)體(上海)的中文網(wǎng)站上,就有使用HT46R47 做觸摸按鍵的示例.www.holtek.com.cn .
需要了解更多此觸摸按鍵的其它應(yīng)用信息,歡迎瀏覽: www.dfm.bj.cn .
下圖是我的 AD 方式試驗(yàn)板,只有 4 個(gè)觸摸鍵, 3 只發(fā)光管以二進(jìn)制編碼指示按鍵號(hào)碼,哪一個(gè)按鍵被觸摸了,哪一個(gè)對(duì)應(yīng)發(fā)光管就點(diǎn)亮 0.5S 時(shí)間.使用上,似乎比專用芯片的毫不猻色!----還有待實(shí)際應(yīng)用來檢驗(yàn).我想:既然可以處理測量 0.1℃ 的溫度,0.1mV的電壓,那么,不可能不能處理這種'界限'式的觸摸關(guān)系.
使用 AD 測量的 電容觸摸按鍵 電路
觸摸按鍵實(shí)踐(3)
電容式感應(yīng)按鍵以其無機(jī)械磨損、壽命長、防水防污、易清潔和時(shí)尚的特點(diǎn), 近幾年應(yīng)用 領(lǐng)域和數(shù)量迅速增加. 因此, 結(jié)合電容感應(yīng)按鍵的特點(diǎn), 設(shè)計(jì)了一種用A/D 口搭配簡單的電路實(shí) 現(xiàn)電容感應(yīng)按鍵的方法. 經(jīng)測試, 電路的穩(wěn)定性較高, 在低成本的電路中適用性較強(qiáng).
觸摸控制技術(shù)又可分為觸摸屏(Touch Screen) 技術(shù)和觸摸按鍵(TouchKey)技術(shù). 在觸摸按鍵技 術(shù)方面, 目前主要可分為電阻式觸摸按鍵與電容 式感應(yīng)按鍵. 由于電阻式的觸摸按鍵需要在設(shè)備 表面貼一張觸摸電阻薄膜, 其耐用性較低, 而電容感應(yīng)按鍵技術(shù)具有在非金屬操作面板上無須開 孔處理、防水防污、易清潔、無機(jī)械開關(guān)磨損而壽 命長等優(yōu)點(diǎn). 近幾年隨著蘋果公司將電容觸摸感 應(yīng)技術(shù)從筆記本電腦引用到iPod 后, 電容觸摸感 應(yīng)熱浪正席卷幾乎所有電子產(chǎn)品, 從筆記本電腦、 智能電話、PDA、游戲機(jī)等手持設(shè)備, 到LCD TV、 DVD 等消費(fèi)電子產(chǎn)品, 再到洗衣機(jī)、空調(diào)、冰箱、 熱水器、電磁爐以及咖啡壺等大小家電, 無不以加 入電容觸摸感應(yīng)為新的賣點(diǎn).
目前, 世界知名電 子元件供應(yīng)商均加大了對(duì)電容觸摸按鍵的應(yīng)用研 究, 并推出眾多的專業(yè)芯片, 有專用電容感應(yīng)按鍵 類的全ASIC, 也有眾多基于MCU集成類的IC. 但這些芯片價(jià)格較高, 在一些按鍵數(shù)量少、成本要求 低的電路中很難得到運(yùn)用. 另外, 使用這些集成類 IC, 很難做到所選資源恰好等于使用的情況, 存在資源的浪費(fèi)情況. 而且對(duì)于升級(jí)成熟產(chǎn)品的機(jī)械 式按鍵, 還存在變更原MCU 代碼的風(fēng)險(xiǎn). 同時(shí), 目 前, 對(duì)于電容式觸摸按鍵的介紹大多也停留在基 于電容量測量的原理上. 結(jié)合電容感應(yīng)按鍵 的原理, 設(shè)計(jì)了一種用MCU 的A/D 口實(shí)現(xiàn)電容觸 摸按鍵的低成本電路.
1 電容式感應(yīng)按鍵原理
平行板電容器具有 2 個(gè)極板, 其間隔著1 層介 質(zhì), 電容器中的大部分能量直接聚集在2 個(gè)極板之 間, 1 個(gè)極板電荷數(shù)量的變化將引起另外極板電荷 的增減, 從而在電容內(nèi)部形成電流. 電容式感應(yīng)按鍵的原理如圖1 所示, 感應(yīng)按鍵 的金屬電極, 放置于非金屬面板內(nèi), 并連接交變的 電信號(hào). 如果在非金屬面板另一側(cè)與金屬電極對(duì) 應(yīng)處放置另外1 塊金屬板(圖2), 那么, 2 個(gè)極板就 組成了平行板電容器, 非金屬面板成為此平行板 電容器的介質(zhì). 由于電場被封閉在2 個(gè)金屬極板之 間, 所以大部分能量均集中在非金屬面板內(nèi). 如果在非金屬面板外隔著金屬, 手指觸摸對(duì)其能量損失的影響就很小.
圖1 電容感應(yīng)按鍵示意圖
圖2 封閉電場示意圖
去除外側(cè)的金屬板, 電場的能量就會(huì)穿過非 金屬的密集區(qū), 向外傳播(圖3).
圖3 電容感應(yīng)電極的電力線
當(dāng)導(dǎo)體靠近操作 面(即非金屬面板表面)后, 電磁場即在導(dǎo)電介質(zhì)中 傳播. 由于導(dǎo)體中存在自由電子, 這些自由電子在 電場作用下就會(huì)形成傳導(dǎo)電流, 進(jìn)而產(chǎn)生焦耳熱 從而引起電磁波能量損耗. 由于人體組織中充滿 了傳導(dǎo)電解質(zhì)(一種有損電介質(zhì)), 當(dāng)手指靠近時(shí) 同樣會(huì)引起電磁能量損耗. 因此只要檢測流經(jīng)感 應(yīng)電極的電能變化, 就可以判斷是否有手指靠近 非金屬操作面板.
2 電容感應(yīng)按鍵取樣電路分析
圖 4 為電容感應(yīng)按鍵取樣電路圖, 電路由5 個(gè)分離元件組成. 其脈沖信號(hào)頻率為300kHz, 幅度 12 V,占空比為50%. 通過讀取電容 C1上的電壓值 判別是否有手指靠近操作區(qū)域. 其原理分析如下: 二極管1N4148正向?qū)妷簽閐 V , 在脈沖信 號(hào)跳變?yōu)楦唠娖?12 V)時(shí), 假定電容 C1上電壓為 U0, 電容的充電回路根據(jù) C1電壓大小出現(xiàn)如下2 種情況:
(1) 若 , 則充電回路為圖5(a), 充電時(shí)間常數(shù)
電容 C1的充電電壓:
(2) 若
則充電回路為圖5(b), 充電時(shí)間常數(shù)
電 容 C1的充電電壓為:
在振蕩脈沖跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí), 根據(jù)電容 C1電 壓大小, 出現(xiàn)以下2 種放電回路:
(1) 當(dāng)0 2 d U > V 時(shí), 放電回路為圖5(c), 放電 電路的
其放電時(shí)的 電容電壓為:
圖4 電容感應(yīng)按鍵取樣電路
(2) 當(dāng)U0≤2Vd 時(shí), 放電回路為圖5(d), 放電 電路的
其電容電 壓為:
.
由于電路中脈沖占空比為50%, 充放電時(shí)間
在該電路中, 充放電電阻大, 流過的充放電電 流小, 二極管1N4148 的導(dǎo)通電壓也較小, 若以充 電電路為圖5(a)、放電電路為圖5(c)來計(jì)算, 充電 時(shí)間常數(shù)τ = 放電時(shí)間常數(shù)= 0.1s, 而充放電時(shí)間 為
假定二極管電壓在微弱電流下按0.2 V 計(jì)算 根據(jù)(1)式和(2)式, 運(yùn)用迭代可計(jì)算出電容電壓最 后穩(wěn)定在5.9 V,而以上計(jì)算不考慮由手指觸摸等 任何情況引起的能量損耗.
電容 C1充放電如圖6 所示. 在實(shí)際的充放電 電路中, 電路對(duì)金屬極板的充放電始終在進(jìn)行. 當(dāng) 手指靠近金屬極板時(shí), 感應(yīng)電極處存在的微弱電 磁場被傳導(dǎo)至人手指內(nèi)電解質(zhì)中, 同時(shí)消耗了部 分能量, 電容 C1補(bǔ)充的電荷將減少, 因此電容 C 的電壓將下降(圖7). 當(dāng)ΔV 變化量達(dá)到最小檢測 精度要求時(shí), 系統(tǒng)即可通過計(jì)算識(shí)別出是否有手 指或其他導(dǎo)電物體靠近操作區(qū).
圖6 電容充電時(shí)間與電壓的關(guān)系
圖7 手指觸摸時(shí)的電平變化
A/D 法電容感應(yīng)按鍵、讀鍵流程:
將電容電壓引入 MCU 通用A/D 口, 即可將電 容 C1上的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并通過MCU計(jì)算 出電容 C1兩端電壓的變化大小, 從而判斷出是否 有手指或其他導(dǎo)電物體靠近或離開觸摸按鍵, 實(shí) 現(xiàn)電容感應(yīng)按鍵的識(shí)別. 軟件流程如圖8 所示.
電路參數(shù)對(duì)感應(yīng)靈敏度的影響
輸入脈沖影響
輸入脈沖的幅值決定了 C1上穩(wěn)態(tài)電壓, 如果 脈沖幅值不穩(wěn)定, 就會(huì)導(dǎo)致 C1上的電壓波動(dòng). 如 果該幅值變化引起的電容電壓變化量ΔV 超過了 檢測的最小檢測精度, 即使沒有手指靠近, 也會(huì)造 成讀鍵的誤判, 所以脈沖電壓幅度要穩(wěn)定. 此外, 輸入脈沖的頻率同樣也會(huì)影響到 C1電 容的工作狀態(tài), 如果輸入脈沖的頻率過低, 則 C1電壓紋波會(huì)加大, 感應(yīng)靈敏度下降; 反之, 輸入脈 沖的頻率過高, 則線路損耗加大, 而且觸摸容易受 到干擾.
充放電電阻值的影響
如果同時(shí)改變 R1,R2 的阻值, 例如將阻值改為100KΩ, 充放電時(shí)間常數(shù)減少10 倍, 因
雖然 C1上電壓變化不大, 但此時(shí) C1上的充放 電電流卻顯著增強(qiáng), 使得手指觸摸的靈敏度下降. 所以, 電路中 R1,R2的阻值一定要選取恰當(dāng).二極管的影響
由于上述電容式感應(yīng)按鍵電路工作頻率高, 且流經(jīng)電流小, 所以應(yīng)當(dāng)選擇結(jié)電容小、開關(guān)速度 快、正向?qū)妷旱偷亩O管. 另外, 二極管的工 作可靠性一定要好,D1,D2任一短路、斷路都會(huì)破 壞充放電回路, 從而使觸摸電路失效.
電容感應(yīng)電極的形式
電容式感應(yīng)按鍵的感應(yīng)電極有很多種, 常用 的感應(yīng)電極有PCB 板上的電極及彈簧金屬片式電 極. 電極形式可以根據(jù)外觀進(jìn)行任意設(shè)計(jì), 如圓 形、方形、三角形等. 但無論電極以哪種形式出現(xiàn) 其周圍都應(yīng)盡量遠(yuǎn)離地: PCB 雙面板電極對(duì)應(yīng)的另 一面銅箔應(yīng)當(dāng)刻蝕去除, 彈簧電極周圍的PCB 銅 箔也要刻蝕去除. 否則, 感應(yīng)電極與金屬之間將形 成感應(yīng)電流, 削弱了手指或外界導(dǎo)電物靠近電極 時(shí)電路的靈敏度.
同時(shí), 電極應(yīng)當(dāng)與非金屬面板緊貼, 如果中間 有空隙, 相當(dāng)于增加了感應(yīng)距離, 使感應(yīng)靈敏度降 低. 感應(yīng)電極的面積和非金屬面板的厚度影響了 感應(yīng)的靈敏度. 實(shí)際應(yīng)用中, 目前厚8mm 以下的 鋼化玻璃, 其圓形金屬感應(yīng)電極直徑不小于12 mm.
這種用分離元件組成觸摸感應(yīng)按鍵用的低成 本電路, 在按鍵數(shù)量不多的情況下應(yīng)用, 可根據(jù)按 鍵數(shù)量多少進(jìn)行自由組合感應(yīng)電極數(shù)量和最簡電 路數(shù)量, 充分利用資源. 同時(shí), 對(duì)于升級(jí)原成熟產(chǎn) 品, 僅需選擇原MCU 系列中帶A/D 端口的產(chǎn)品, 編寫讀取觸摸按鍵的程序, 可以很順利地完成程 序替換. 該電路目前成功運(yùn)用于油煙機(jī)、消毒柜、 微波爐、蒸箱、烤箱等一系列產(chǎn)品上, 順利通過 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的測試要求, 市場質(zhì)量表現(xiàn)穩(wěn)定可靠聯(lián)系客服
