電容式觸摸感應按鍵設計方案

　　成本低廉。

　　1 檢測原理

　　電容式觸摸按鍵電路的原理構成如圖1所示，按鍵即是一個焊盤，與地構成一個感應電容，在周圍環(huán)境不變的情況下電容值固定為微小值，具有固定的充放電時間，而當有一個導體向電極靠近時，會形成耦合電容，這樣就會改變固有的充放電時間，而手指就是這樣的導體。通過測量充放電時間的改變即可檢測是否有按鍵被按下。充放電時間的計算公式如下：

　　式中，t，R，C分別為充放電時間，電阻值，電容值;V1為充放電終止電壓值;V2為充放電起始電壓值;Vt為充放電t時刻電容上的電壓值。

　　首先，開關在斷開的狀態(tài)下該按鍵被下拉電阻拉低，電勢為0 V，這時開關閉合開始對按鍵充電，等充滿電穩(wěn)定后再斷開開關，這時按鍵開始放電，并用定時器記錄這段放電時間為t1，反復該過程。當有手指觸碰按鍵時，放電時間會改變?yōu)閠2，如圖2所示，由此即可判斷出手指是否觸摸到該按鍵。

　　2 檢測電路設計

　　該檢測電路由MSP430F1121A作為主控制器，由JTAG接口在線仿真調試，鍵盤分為單個觸摸按鍵檢測和矩陣觸摸按鍵檢測兩部分，如圖3所示。其占用的單片機資源包括帶有中斷功能的GPIO口和定時計數器。

　　2.1 單個觸摸按鍵檢測

　　圖3中連接單片機P2.5引腳的KeyPad與電阻R5構成一個RC充放電回路，這里由單片機的P2.5引腳控制電容的充放電，其作用相當于圖1中的開關。實際的電路板中KeyPad與周圍及背面的覆銅構成電容，P2.5置為高電平，給KeyPad充電，等到穩(wěn)定后將P2.5引腳置為輸入，并使能中斷功能，且設為下降沿觸發(fā)，這時KeyPad上的電荷會由R5對地放電，多次測量放電時間，作為基準放電時間。當手指觸碰時，放電時間會改變，反復實驗測出合理的閾值。以后檢測到放電時間超過這一閾值，則說明有按鍵按下。為精確測量充放電時間，要使充放電電流很小，放電的電阻在兆數量級，這里選用6.1 MΩ的電阻，MSP430引腳設為輸入時的漏電流為50 nA，對放電回路可以忽略。

　　2.2 矩陣觸摸按鍵檢測

　　MSP430的P1.0～P1.3和P2.0～P2.3分別連接到PAD1～PAD4和PAD5～PAD8構成一個4x4的鍵盤矩陣，按鍵從A～P，如圖3所示。兩兩焊盤交匯處即是一個按鍵。在掃描過程中如果PAD2與PAD7的掃描結果超出閾值，則說明其交匯處(即按鍵G)被按下。需要注意的是其充放電過程有所變化，不再是單一的電容對地放電，而是兩個焊盤間互相充放電。例如行掃描的PAD1與PAD2通過R1由引腳P1.0和P1.1互相充放電。對于PAD1的檢測過程如下：1)將P1.O設為輸出低電平，P1.1設為輸出高電平，待穩(wěn)定;2)將P1.0設置為輸入并啟動P1.0的上升沿觸發(fā)中斷功能，定時器開始計時;3)待到PAD1充電到達觸發(fā)電平上限，產生中斷，停止計時，算出按鍵1的充電時間t+;4)將P1.0設為輸出高電平，P1.1設為輸出低電平，待穩(wěn)定;5)將P1.1設置為輸入并肩動P1.0的下降沿觸發(fā)中斷功能，定時器開始計時;6)待到PAD1放電到達觸發(fā)電平下限，產生中斷，停止計時，算出按鍵1的放電時間t_;7)利用t+和t_求出按鍵1的平均充放電時間tbase，并作為基準值;8)按照步驟1)～步驟6)不斷檢測充放電時間t，并與基準值tbase作比較，如果其差值超出某一閾值，則可以判斷有按鍵被按下;9)用同樣的步驟計算PAD2的充放電時間，完成PAD1和PAD2的充放電掃描。10)同理，分別由PAD3和PAD4、PAD5和PAD6、PAD7和PAD8構成充放電電極對，檢測其充放電時間。利用這種結構可構成規(guī)模較大的低成本觸摸鍵盤矩陣，而不需專用芯片。電路中用充放電時間平均值代替放電時間平均值，更能增強抗干擾性。

　　3 軟件程序設計

　　軟件設計最主要的是基于以上步驟不斷對鍵盤進行掃描，除此之外由于觸摸按鍵的電容值會受環(huán)境的影響而變化，尤其是溫度和濕度的影響，因此能跟蹤環(huán)境變化及時校正基本充放電時間tbase很必要，整體軟件設計如圖4所示。

　　如果控制器發(fā)現很長時間內沒有按鍵被按下(這里設為60 s)，就開始啟動校正功能，重新掃描鍵盤，獲取新的充放電時間，并作為基準值，這樣可以克服環(huán)境變化帶來的影響。

　　4 PCB設計與布局

　　鍵盤可以做成任意形狀，但為盡量避免尖端放電效應，應盡可能采用圓弧形作為邊緣，對于單個按鍵一般設計成直徑10 mm的圓形，尺寸過小會使得檢測信號微弱，不利于檢測，尺寸過大會使未碰觸時和碰觸時電容量的差值降低，而設計時盡量使差異值最大化，所以按鍵既不能過大也不能過小。對于矩陣按鍵，應設計成相互交叉的手指狀。各個感應盤的形狀、面積應該相同，以保證靈敏度一致。各觸摸按鍵之間應盡量遠一點，以減少相互間的干擾，可用覆地隔開，通常按鍵與地信號間有O.5 mm的間隙，在按鍵的背面也覆一層地，以減少電磁干擾。觸摸按鍵的連接線應盡量的細，不要跨越其他的信號線，尤其是高頻、強干擾的信號線。

　　5 結束語

　　觸摸式按鍵的應用越來越廣泛，如何有效地降低制造成本是產品研發(fā)中必須考慮的問題，而電容式觸摸按鍵的檢測方法有多種，本論文中用到的硬件設計利用檢測RC電路充放電時間的原理以判別按鍵是否被按下，不僅可以檢測單個按鍵，還可以檢測矩陣按鍵，檢測電路僅由電阻電容構成的充放電回路及單片機組成，替代了專用的檢測芯片，這樣簡單、易用，且有效地降低了硬件成本。