基于WTC6216的觸摸式按鍵設(shè)計(jì)

摘要：為降低電子產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，美化電子產(chǎn)品的外觀，提升電子產(chǎn)品的品質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)與WTC6216集成電路相結(jié)合帶背光的人體觸摸式按鍵電路。該電路的特點(diǎn)是外圍元器件少，與單片機(jī)接口電路簡單，且微功耗、抗干擾能力強(qiáng)、工作性能穩(wěn)定、安裝工藝簡便等，可用于制作間距較小的密集型鍵盤，因而對于消費(fèi)電子產(chǎn)品和手持式儀器設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：鍵盤；觸摸按鍵；WTC6216；消費(fèi)電子產(chǎn)品

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)尤其是人機(jī)接口技術(shù)的不斷發(fā)展，觸摸式按鍵在電子產(chǎn)品和手持式儀器中得到越來越廣泛應(yīng)用。相對傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵，觸摸式按鍵具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，不但系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，而且在使用中不易磨損損壞，提高了按鍵的使用壽命。此外觸摸式按鍵還可以增加產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)的靈活性，提升產(chǎn)品的品質(zhì)。本文提出了一種基于WTC6216ASI集成電路的觸摸式按鍵設(shè)計(jì)方案，具有較高的實(shí)用性。

1 電容式觸摸按鍵工作原理
觸摸式按鍵可分為電阻式觸摸按鍵和電容式觸摸按鍵。任何兩個(gè)導(dǎo)電的物體之間都存在著感應(yīng)電容，一個(gè)按鍵即一個(gè)焊盤與大地也可構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)電容，在周圍環(huán)境不變化的情況下，該感應(yīng)電容值是固定不變的微小值。當(dāng)有人體手指靠近觸摸按鍵時(shí)，人體手指與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容并聯(lián)焊盤與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容，會(huì)使總感應(yīng)電容值增加。觸摸按鍵芯片在檢測到某個(gè)按鍵的感應(yīng)電容值發(fā)生改變后，將輸出某個(gè)按鍵被按下的確定信號(hào)。
WTC6216ASI集成電路是為實(shí)現(xiàn)人體觸摸界面而設(shè)計(jì)的電容式觸摸感應(yīng)芯片，最多能支持16個(gè)相互獨(dú)立的觸摸式按鍵。使用WTC6216ASI集成電路設(shè)計(jì)的觸摸式按鍵功耗小，外圍元器件少，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，其提供的對應(yīng)輸出能與單片機(jī)直接接口。WTC6216ASI集成電路自身的設(shè)計(jì)涵蓋了EMI／EMC及高抗噪聲電路，抗干擾能力強(qiáng)，可以自動(dòng)克服由于靜電放電、電磁干擾或污染物在鍵盤表面堆積所帶來的干擾。同時(shí)該電路具有環(huán)境溫度和環(huán)境濕度的自適應(yīng)能力，能在各種惡劣環(huán)境下提供良好的精確性和操作的一致性，工作性能穩(wěn)定。此外，WTC6216ASI集成電路還具有相鄰按鍵的抑制功能，可以防止相鄰按鍵之間因相互干擾而產(chǎn)生的誤動(dòng)作，可使用在按鍵間距較小的密集型鍵盤(按鍵間距不小于2 min)上，在日常生活的電子產(chǎn)品和手持式儀器設(shè)計(jì)中完全滿足技術(shù)上的要求。
WTC6216ASI使用高精度16位數(shù)字電容轉(zhuǎn)換器(CDC)檢測焊盤(電容傳感器)上感應(yīng)電容值變化來識(shí)別人體手指的觸摸動(dòng)作。數(shù)字電容轉(zhuǎn)換器將檢測數(shù)據(jù)輸入到內(nèi)嵌的RISC處理器，RISC處理器通過可靠的高效算法對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)RISC處理器判斷感應(yīng)盤上有有效觸摸發(fā)生時(shí)，會(huì)在100 ms內(nèi)發(fā)出相應(yīng)的指示確定某個(gè)按鍵被按下，方便系統(tǒng)根據(jù)按鍵進(jìn)行操作控制。WTC6216ASI發(fā)出的指示包含兩個(gè)部分：被按下按鍵的BCD編碼和按鍵被按下有效指示狀態(tài)。引腳data3～data0是輸出確定被按下按鍵的BCD編碼，引腳out_flag是輸出按鍵被按下有效指示狀態(tài)，其中“1”表示無有效按鍵被按下；“0”表示有按鍵被按下。引腳out_flag與引腳data3～data0的時(shí)序輸出關(guān)系如圖1所示。

2 觸摸式按鍵的硬件設(shè)計(jì)
觸摸式按鍵的硬件電路由主控電路、按鍵背光電路和觸摸按鍵檢測電路等三個(gè)部分組成如圖2所示。

主控電路選用在系統(tǒng)可編程的STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)具有512 B的片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8 KB片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，完全能夠滿足系統(tǒng)程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要。此外該單片機(jī)寬電壓工作，抗干擾能力強(qiáng)，能在電源環(huán)境比較惡劣下穩(wěn)定的工作。
該觸摸按鍵檢測電路支持檢測12個(gè)相互獨(dú)立的觸摸按鍵。由于WTC6216ASI芯片最大支持可使用16個(gè)相互獨(dú)立的傳感器通道，為保證WTC6 216ASI能正常穩(wěn)當(dāng)?shù)墓ぷ?，空置不用的傳感器通道不能懸空，必須將它們并?lián)接在一起后用一個(gè)10 kΩ的上拉電阻與WTC6216ASI電源連接。觸摸按鍵的靈敏度由連接在引腳CSEL上的電容調(diào)節(jié)決定，而電容值的大小一般由鍵盤上的隔離介質(zhì)厚薄決定，隔離介質(zhì)越厚則電容值越大，一般取電容值在0．047～0．08μF之間。同時(shí)為獲得測量效果最穩(wěn)定，引腳CSEL上的電容最好使用溫度系數(shù)較小、精度5％的滌綸電容，并且在PCB布線時(shí)引腳CSEL上的電容要盡量靠近WTC6216ASI芯片。按鍵背光電路則用來指示系統(tǒng)在當(dāng)前工作狀態(tài)下鍵盤的有效觸摸按鍵。

由于WTC6216ASI芯片傳感器通道測量的是電容的微小變化，因此對供電電路的穩(wěn)定性有較高的要求。在設(shè)計(jì)供電電路時(shí)要求電源的紋波和噪聲要小，注意避免由電源串入強(qiáng)干擾。當(dāng)觸摸式按鍵直接使用主機(jī)的5 V電源時(shí)，要在WTC6216ASI芯片使用的電源之前加電源濾波電路，如圖3所示。該電路抑制電源噪聲的能力較好，但連接較大的負(fù)載時(shí)容易產(chǎn)生自激，因此，此電源濾波電路除對WTC6216ASI芯片供電外最好不要接其他負(fù)載。

3 觸摸式按鍵的軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)上述觸摸式按鍵的硬件電路原理圖，該觸摸式按鍵只支持12個(gè)相互獨(dú)立的按鍵，如系統(tǒng)所需的按鍵數(shù)超過12個(gè)，則在軟件上可以對按鍵進(jìn)行分頁面處理來擴(kuò)展按鍵的鍵數(shù)。軟件設(shè)計(jì)最主要是不斷對引腳out_flag輸出的按鍵被按下有效指示狀態(tài)進(jìn)行掃描，一旦確定有有效按鍵被按下，則立即讀取按鍵的BCD碼鍵值，并根據(jù)按鍵頁面轉(zhuǎn)換標(biāo)志轉(zhuǎn)換相應(yīng)頁面的鍵碼，系統(tǒng)再根據(jù)鍵碼發(fā)出操作控制指令，同時(shí)開當(dāng)前狀態(tài)下鍵盤上有效觸摸按鍵的背光。雖然觸摸按鍵的靈敏度由連接在引腳CSEL上的電容調(diào)節(jié)決定，但是為獲得更合適的觸摸按鍵的手感，在測量是否有按鍵按下的效果更穩(wěn)定，有必要在軟件上對觸摸按鍵的靈敏度進(jìn)行更加細(xì)膩的調(diào)整。軟件處理觸摸按鍵的程序流程圖如圖4所示。

4 PCB板的設(shè)計(jì)
WTC6216ASI芯片傳感器通道測量的是電容的微小變化，因此對PCB板設(shè)計(jì)具有一定的要求。鍵盤單個(gè)感應(yīng)盤導(dǎo)體在PCB板上可以做成任意形狀，但為盡量避免導(dǎo)體的尖端放電效應(yīng)，應(yīng)盡可能采用圓弧形的邊沿，一般設(shè)計(jì)成直徑為10 mm的圓形。同時(shí)感應(yīng)盤與WTC6216ASI芯片的連線應(yīng)盡量短而細(xì)(0．1～0．3 mm)，不要跨越其他信號(hào)線，尤其是高頻、強(qiáng)干擾的信號(hào)線，最少與信號(hào)線之間保持有0．5 mm以上的距離。鍵盤的各個(gè)感應(yīng)盤的形狀、面積應(yīng)該相同，并且到WTC6216ASI芯片的距離基本上一致，以保證觸摸靈敏度的一致性。此外各感應(yīng)盤的距離應(yīng)該盡可能地遠(yuǎn)離一點(diǎn)，以減少相互之間的干擾，也可用覆蓋地隔開，并且在感應(yīng)盤的背面也覆蓋一層地，以減少電磁干擾。

5 結(jié)語
在人們?nèi)粘Ｉ钪须娮赢a(chǎn)品和手持式儀器中觸摸式按鍵的應(yīng)用越來越廣泛。本文基于WTC6216ASI芯片設(shè)計(jì)帶背光的觸摸式按鍵，其硬件電路簡單，所用的外圍元器件較少，生產(chǎn)成本低，抗干擾能力強(qiáng)，工作性能穩(wěn)定，在市場上具有較高的競爭優(yōu)勢。同時(shí)相對傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵具有外形美觀，故障率低，使用壽命長，對成熟的電子產(chǎn)品、手持儀器的升級(jí)換代和開發(fā)新的電子產(chǎn)品具有較高的實(shí)用性。