1 引言
相較于機(jī)械式按鍵和電阻式觸摸按鍵,，電容式觸摸按鍵不僅耐用，造價低廉,，機(jī)構(gòu)簡單易于安裝,，防水防污，而且還能提供如滾輪,、滑動條的功能,。但是電容式觸摸按鍵也存在很多的問題，因?yàn)闆]有機(jī)械構(gòu)造,，所有的檢測都是電量的微小變化,，所以對各種干擾敏感得多。ST針對家電應(yīng)用特別是電磁爐應(yīng)用,，推出了一個基于STM8系列8位通用微控制器平臺的電容式觸摸感應(yīng)方案,，無需增加專用觸摸芯片，僅用簡單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)功能,，方便客戶二次開發(fā),。
2 方案介紹
ST的電容式觸摸按鍵方案通過一個電阻和感應(yīng)電極的電容CX構(gòu)成的阻容網(wǎng)絡(luò)的充電/放電時間來檢測人體觸摸所帶來的電容變化。如圖1所示,，當(dāng)人手按下時相當(dāng)于感應(yīng)電極上并聯(lián)了一個電容CT,，增加了感應(yīng)電極上的電容，感應(yīng)電極進(jìn)行充放電的時間會增加,，從而檢測到按鍵的狀態(tài),。而感應(yīng)電極可以直接在PCB板上繪制成按鍵、滾輪或滑動條的應(yīng)用樣式,，也可以做成彈簧件插在PCB板上,，即使隔著絕緣層（玻璃、樹脂）也不會對其檢測性能有所影響,。
圖1 STM8S電容式觸摸按鍵的工作原理
電磁爐是采用磁場感應(yīng)電流的加熱原理對食物進(jìn)行加熱,。加熱時，通過面板下方的線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場，磁力線穿過導(dǎo)磁體做的鍋的底部時,，鍋具切割交變磁力線而在鍋具底部產(chǎn)生渦流使鍋底迅速發(fā)熱,，達(dá)到加熱食物的目的。在本解決方案中采用44pin的STM8S105S4做按鍵顯示板的主控芯片,，控制13個按鍵的掃描、24個LED及一個4位數(shù)碼管的顯示,、I2C與主板的通訊,，并留有一個SWIM接口方便工程師調(diào)試之用（如圖2）。
STM8S105S4采用的是ST高級STM8內(nèi)核,，具備3級流水線的哈佛結(jié)構(gòu),，3.0~5.5V工作電壓，內(nèi)部16MHz RC可提供MCU 16MHz工作頻率,，提供低功耗模式和外設(shè)時鐘關(guān)閉功能,，共有34個I/O可用。STM8S105S4 具有2KB的RAM和16KB的FLASH,，還有可達(dá)30萬次擦寫次數(shù)的1KB EEPROM數(shù)據(jù)存儲器,。
圖2 電磁爐按鍵板原理
3 電磁爐工作環(huán)境中的干擾
1.電磁干擾
電磁爐在加熱鍋的同時，也對電路板上感應(yīng)電極正向或反向的電流,，從而會縮短或增長按鍵充放電時間,，會對按鍵的檢測造成很大影響，甚至產(chǎn)生誤動作,，常見的方法采用硬件屏蔽和過零點(diǎn)檢測來消除電磁輻射對按鍵的影響,。
硬件屏蔽
在STM8S的解決方案中，ST提供了感應(yīng)電極和走線的設(shè)計(jì)規(guī)范和如圖3所示的Driven Shield功能（在Shield線上提供與按鍵管腳相同的驅(qū)動信號,，電極與Shield之間的寄生電容就不會被充放電）,，能有效地減少感應(yīng)電極走線的寄生電容對按鍵靈敏度的影響。
圖3 Driven Shield
過零點(diǎn)檢測
1) 硬件過零點(diǎn)檢測
過零點(diǎn)檢測可采用硬件實(shí)現(xiàn),，在硬件設(shè)計(jì)中,，可以增加如圖4 或圖5過零點(diǎn)的硬件檢測電路，通過在B端輸出為高電平時進(jìn)行按鍵狀態(tài)的判斷,，以期在電磁輻射最小的時候?qū)τ|摸按鍵進(jìn)行檢測,。
圖4 硬件過零點(diǎn)檢測電路1
圖5 硬件過零點(diǎn)檢測電路2
2)軟件過零點(diǎn)檢測
硬件過零點(diǎn)檢測增加硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，增加方案成本,，在我們的解決方案中,，針對電磁爐的工作環(huán)境，我們采用軟件進(jìn)行過零點(diǎn)檢測,，從而降低成本,，有效解決電磁爐主功率電路對觸摸按鍵的干擾
2.電網(wǎng)干擾
因?yàn)閲鴥?nèi)電網(wǎng)質(zhì)量不一，在一些質(zhì)量差的地區(qū)，容易影響電磁爐觸摸按鍵的正常工作,。如果不能做電源隔離,，就會看到一下圖6的差別（藍(lán)色表示無按鍵，紅色表示鍵被按下）,，而這些圖還只是在電磁爐沒有開功率的情況下的,，當(dāng)電磁爐工作時產(chǎn)生的電磁輻射將會使看到的信號更加雜亂無章。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),，采用與外界電網(wǎng)隔離或使用軟件濾波,，按鍵效果都能得到明顯改善。
圖6 質(zhì)量好的電網(wǎng) 質(zhì)量差的電網(wǎng)1 質(zhì)量差的電網(wǎng) 2
3.濺水,，濺油的影響
在電磁爐的使用當(dāng)中,，常常會出現(xiàn)水或油濺到觸摸面板上，它可能導(dǎo)致按鍵誤觸發(fā),，本解決方案采用特殊軟件算法可靠地將覆水濺油與手指按下的狀態(tài)區(qū)分開,。
4.環(huán)境自適應(yīng)能力
電磁爐在工作的時候，會產(chǎn)生大量的熱量與濕氣,，面板溫度/濕度,，電路板溫度/濕度都是會在一個很寬的范圍浮動，而隨著使用時間的推移,，包括玻璃面板,、PCB板都會出現(xiàn)不同程序的老化，從而影響按鍵檢測的準(zhǔn)確度,。在ST的解決方案中,，實(shí)現(xiàn)了自動校準(zhǔn)功能，實(shí)時地提供環(huán)境檢測,，實(shí)現(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)的機(jī)制,。
4總結(jié)
ST提供的解決方案包含了觸摸面板自校準(zhǔn)、軟件濾波,、軟件過零點(diǎn)檢測及環(huán)境自適應(yīng)等功能,，盡可能地使用軟件算法去屏蔽各種復(fù)雜環(huán)境的干擾，具有低成本及工作可靠等特點(diǎn),。當(dāng)然在其他產(chǎn)品的應(yīng)用中,，也會有一些與電磁爐環(huán)境不同的要求，這里只是介紹了其中一些有代表性的干擾,，但只要掌握了電容式觸摸的工作原理,，還是有很多種方法來處理各種應(yīng)用情況。