與傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵相比,，電容式" title="電容式">電容式觸摸感應(yīng)按鍵美觀、耐用,、壽命長(zhǎng),。電容式觸摸感應(yīng)按鍵實(shí)際只是PCB上的一小塊“覆銅焊盤(pán)" title="焊盤(pán)">焊盤(pán)”,，與四周“地信號(hào)”構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)電容,，觸摸該按鍵會(huì)影響該電容值。現(xiàn)在檢測(cè)電容值的方法有很多種,，如電流與電壓相位差檢測(cè),、由電容構(gòu)成的振蕩器頻率檢測(cè)、電容橋電荷轉(zhuǎn)換檢測(cè),。而這里則是利用感應(yīng)電容與電阻構(gòu)成的RC回路,，檢測(cè)充放電" title="充放電">充放電時(shí)間的變化量，不需要專(zhuān)用檢測(cè)電路" title="檢測(cè)電路">檢測(cè)電路,，
成本低廉,。
1 檢測(cè)原理
電容式觸摸按鍵" title="觸摸按鍵">觸摸按鍵電路的原理構(gòu)成如圖1所示，按鍵即是一個(gè)焊盤(pán),，與地構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)電容,，在周?chē)h(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(shí)間,，而當(dāng)有一個(gè)導(dǎo)體向電極靠近時(shí),，會(huì)形成耦合電容,，這樣就會(huì)改變固有的充放電時(shí)間，而手指就是這樣的導(dǎo)體,。通過(guò)測(cè)量充放電時(shí)間的改變即可檢測(cè)是否有按鍵被按下,。充放電時(shí)間的計(jì)算公式如下：
式中，t,，R,，C分別為充放電時(shí)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(shí)刻電容上的電壓值,。
首先，開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)的狀態(tài)下該按鍵被下拉電阻拉低,，電勢(shì)為0 V,，這時(shí)開(kāi)關(guān)閉合開(kāi)始對(duì)按鍵充電，等充滿(mǎn)電穩(wěn)定后再斷開(kāi)開(kāi)關(guān),，這時(shí)按鍵開(kāi)始放電,，并用定時(shí)器記錄這段放電時(shí)間為t1，反復(fù)該過(guò)程,。當(dāng)有手指觸碰按鍵時(shí),，放電時(shí)間會(huì)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(cè)電路設(shè)計(jì)
該檢測(cè)電路由MSP430F1121A作為主控制器，由JTAG接口在線仿真調(diào)試,，鍵盤(pán)分為單個(gè)觸摸按鍵檢測(cè)和矩陣觸摸按鍵檢測(cè)兩部分,，如圖3所示。其占用的單片機(jī)資源包括帶有中斷功能的GPIO口和定時(shí)計(jì)數(shù)器,。
2．1 單個(gè)觸摸按鍵檢測(cè)
圖3中連接單片機(jī)P2．5引腳的KeyPad與電阻R5構(gòu)成一個(gè)RC充放電回路,，這里由單片機(jī)的P2．5引腳控制電容的充放電，其作用相當(dāng)于圖1中的開(kāi)關(guān),。實(shí)際的電路板中KeyPad與周?chē)氨趁娴母层~構(gòu)成電容,，P2．5置為高電平" title="高電平">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(shè)為下降沿觸發(fā)，這時(shí)KeyPad上的電荷會(huì)由R5對(duì)地放電,，多次測(cè)量放電時(shí)間,，作為基準(zhǔn)放電時(shí)間。當(dāng)手指觸碰時(shí),，放電時(shí)間會(huì)改變,，反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出合理的閾值。以后檢測(cè)到放電時(shí)間超過(guò)這一閾值,，則說(shuō)明有按鍵按下,。為精確測(cè)量充放電時(shí)間，要使充放電電流很小,，放電的電阻在兆數(shù)量級(jí),，這里選用6．1 MΩ的電阻，MSP430引腳設(shè)為輸入時(shí)的漏電流為50 nA,，對(duì)放電回路可以忽略,。
2．2 矩陣觸摸按鍵檢測(cè)
MSP430的P1．0～P1．3和P2．0～P2．3分別連接到PAD1～PAD4和PAD5～PAD8構(gòu)成一個(gè)4x4的鍵盤(pán)矩陣，按鍵從A～P,，如圖3所示,。兩兩焊盤(pán)交匯處即是一個(gè)按鍵。在掃描過(guò)程中如果PAD2與PAD7的掃描結(jié)果超出閾值,，則說(shuō)明其交匯處(即按鍵G)被按下,。需要注意的是其充放電過(guò)程有所變化，不再是單一的電容對(duì)地放電,，而是兩個(gè)焊盤(pán)間互相充放電,。例如行掃描的PAD1與PAD2通過(guò)R1由引腳P1．0和P1．1互相充放電。對(duì)于PAD1的檢測(cè)過(guò)程如下：1)將P1．O設(shè)為輸出低電平,，P1．1設(shè)為輸出高電平,，待穩(wěn)定；2)將P1．0設(shè)置為輸入并啟動(dòng)P1．0的上升沿觸發(fā)中斷功能,，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí),；3)待到PAD1充電到達(dá)觸發(fā)電平上限,，產(chǎn)生中斷,，停止計(jì)時(shí)，算出按鍵1的充電時(shí)間t+,；4)將P1．0設(shè)為輸出高電平,，P1．1設(shè)為輸出低電平，待穩(wěn)定,；5)將P1．1設(shè)置為輸入并肩動(dòng)P1．0的下降沿觸發(fā)中斷功能,，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；6)待到PAD1放電到達(dá)觸發(fā)電平下限，產(chǎn)生中斷,，停止計(jì)時(shí),，算出按鍵1的放電時(shí)間t_；7)利用t+和t_求出按鍵1的平均充放電時(shí)間tbase,，并作為基準(zhǔn)值,；8)按照步驟1)～步驟6)不斷檢測(cè)充放電時(shí)間t，并與基準(zhǔn)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(jì)算PAD2的充放電時(shí)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(gòu)成充放電電極對(duì)，檢測(cè)其充放電時(shí)間,。利用這種結(jié)構(gòu)可構(gòu)成規(guī)模較大的低成本觸摸鍵盤(pán)矩陣,，而不需專(zhuān)用芯片。電路中用充放電時(shí)間平均值代替放電時(shí)間平均值,，更能增強(qiáng)抗干擾性,。
3 軟件程序設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)最主要的是基于以上步驟不斷對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，除此之外由于觸摸按鍵的電容值會(huì)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(shí)校正基本充放電時(shí)間tbase很必要，整體軟件設(shè)計(jì)如圖4所示,。
如果控制器發(fā)現(xiàn)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有按鍵被按下(這里設(shè)為60 s),，就開(kāi)始啟動(dòng)校正功能，重新掃描鍵盤(pán),，獲取新的充放電時(shí)間,，并作為基準(zhǔn)值，這樣可以克服環(huán)境變化帶來(lái)的影響,。
4 PCB設(shè)計(jì)與布局
鍵盤(pán)可以做成任意形狀,，但為盡量避免尖端放電效應(yīng)，應(yīng)盡可能采用圓弧形作為邊緣,，對(duì)于單個(gè)按鍵一般設(shè)計(jì)成直徑10 mm的圓形,，尺寸過(guò)小會(huì)使得檢測(cè)信號(hào)微弱，不利于檢測(cè),，尺寸過(guò)大會(huì)使未碰觸時(shí)和碰觸時(shí)電容量的差值降低,，而設(shè)計(jì)時(shí)盡量使差異值最大化,，所以按鍵既不能過(guò)大也不能過(guò)小。對(duì)于矩陣按鍵,，應(yīng)設(shè)計(jì)成相互交叉的手指狀,。各個(gè)感應(yīng)盤(pán)的形狀、面積應(yīng)該相同,，以保證靈敏度一致,。各觸摸按鍵之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)一點(diǎn)，以減少相互間的干擾,，可用覆地隔開(kāi),，通常按鍵與地信號(hào)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(yīng)盡量的細(xì)，不要跨越其他的信號(hào)線,，尤其是高頻,、強(qiáng)干擾的信號(hào)線。
5 結(jié)束語(yǔ)
觸摸式按鍵的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,，如何有效地降低制造成本是產(chǎn)品研發(fā)中必須考慮的問(wèn)題,，而電容式觸摸按鍵的檢測(cè)方法有多種，本論文中用到的硬件設(shè)計(jì)利用檢測(cè)RC電路充放電時(shí)間的原理以判別按鍵是否被按下,，不僅可以檢測(cè)單個(gè)按鍵,，還可以檢測(cè)矩陣按鍵，檢測(cè)電路僅由電阻電容構(gòu)成的充放電回路及單片機(jī)組成,，替代了專(zhuān)用的檢測(cè)芯片,，這樣簡(jiǎn)單、易用,，且有效地降低了硬件成本,。