触摸按键方案报告.docx
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触摸按键方案报告
触摸按键方案报告
一、方案简介
电容触摸传感大约在50多年前就已经出现，现在已经变得越来越易于实现且应用更为广泛。
触摸灯是电容触摸开关的一个经典示例。
触摸灯的出现已有很长一段时间，它由一个简单的电容式开关来开启、关闭灯泡及调节灯的亮度。
新技术使得可以对触摸按钮实现更为复杂的控制。
其关键是要有具有混合信号外设的单片机。
单片机提供了完成电容触摸传感、决策、响应以及其他系统相关任务的能力。
目前业内已有好几种电容触摸传感技术存在，多数技术是基于测量由于人手指触摸产生额外电容而改变的频率或占空比。
有些其他的方法则使用电荷平衡或是充电上升及下降时间的测量。
在便携式媒体播放器和移动手持终端等大容量、高可视性产品的应用中，触摸按键已被广泛采用。
由于其具有方便易用，时尚和低成本的优势，越来越多的电子产品开始从传统机械按键转向触摸式按键。
触摸按键方案优点:
1、没有任何机械部件，不会磨损，无限寿命，减少后期维护成本。
2、其感测部分可以放置到任何绝缘层（通常为玻璃或塑料材料）的后面，很容易制成与周围环境相密封的键盘。
以起到防潮防水的作用。
3、面板图案随心所欲，按键大小、形状任意设计，字符、商标、透视窗等任意搭配，外型美观、时尚，不褪色、不变形、经久耐用。
从根本上解决了各种金属面板以及各种机械面板无法达到的效果。
其可靠性和美观设计随意性，可以直接取代现有普通面板（金属键盘、薄膜键盘、导电胶键盘）。
4、触摸按键板可提供UART、IIC、SPI等多种接口，满足各种产品接口需求。
二、原理概述
如图1所示在PCB上构建的电容器，电容式触摸感应按键实际上只是PCB上的一小块“覆铜焊盘”，触摸按键与周围的“地信号”构成一个感应电容，当手指靠近电容上方区域时，它会干扰电场，从而引起电容相应变化。
根据这个电容量的变化，可以检测是否有人体接近或接触该触摸按键。
接地板通常放置在按键板的下方，用于屏蔽其它电子产品产生的干扰。
此类设计受PCB上的寄生电容和温度以及湿度等环境因素的影响，检测系统需持续监控和跟踪此变化并作出基准值调整。
基准电容值由特定结构的PCB产生，介质变化时，电容大小亦发生变化。
图1PCB上构建开放式电容器示意图
当人体（手指）接触金属感应片的时候，由于人体相当于一个接大地的电容，因此会在感应片和大地之间形成一个电容，感应电容量通常有几pF到几十pF。
利用这个最基本的原理，在外部搭建相关电路，就可以根据这个电容量的变化，检测是否有人体接触金属感应片。
基于LPC1100系列Cortex-M0微控制器电容式触摸感应按键原理（具体见附录1）如图2所示
图2 基于LPC1100触摸按键原理
三、方案实现
充分利用触摸按键芯片内的比较器特性，结合外部一个电容传感器，构造一个简单的振荡器，针对传感器上电容的变化，频率对应发生变化，然后利用内部的计时器来测量出该变化，从而达到响应触摸功能的实现。
3.1触摸电路原理
（1）单片机测量自激RC振荡器频率方案
该方案的原理如下图3所示：
由于玻璃一手指一地之间产生电容，我们才能够检测到触压，该电容与电路对地的自然寄生电容并联。
并联电容相加，所以当手指接近焊盘时总电容将变大。
电容增量的百分比是:
△C%=（（CP+Cf）-CP）/CP=Cf/Cp
电容增量就是我们检测的依据，手指将引入额外的电容，导致振荡器的RC时间常数改变。
RC时间常数增加，振荡器频率将减小，在单片机中将检测到这一频率变化。
Cp的设计值应该较小。
因为我们知道Cf非常小，如果Cp较小，则频率的增量百分比将较大，已知手指触压产生的电容范围在5-15pF之间。
还需要一个振荡器，其频率取决于电容器的感应极板CS。
图4的电路能够实现这一目标。
该设计使用了一个松弛振荡器来产生频率，频率取决于电容器的值。
RC振荡器的电阻值是设计参数，用来确保振荡频率在100-400kHz范围内。
频率的精确值并小重要，但是在测量过程中，较高的频率将产生更多的计数，因此精度要比较低频率的精度高。
图3触摸电路等效电路
图4RC振荡器
RC电路充放电在有无人体触摸时的充放电波形图如图5所示。
当使用GPIO配置为输入时电容Cx充电，如果没有人体触摸的时候电容的充放电曲线如图5绿线所示；当有人体触摸的时候，由于人体带来一个感应电容量，这时电容充放电速度变缓，如图3红线所示。
利用这个时间的变化，再加GPIO中断的检测功能，就可以判断是否有按键按下。
图5 有无人体触摸时的RC电路充放电示意图
为了检测按钮是否按下，首先必须恰当地配置系统。
然后有下列几个关键步骤:
1、通过传感器电容发出振荡信号；
2、使用下单片机计数器对正边沿进行计数；
3、在固定的测量周期结束时，获取读数（频率的计数值）；
4、判断当前频率是否低于正常的未触压的平均值。
本方案电路图（详情见附录2）如下：
（2）芯片选型
芯片内部本身集成了电容式触摸传感模块，可以做到一个I/O口对应一个按键，外围电路简洁、无需外部组件的情况下即可通过片上振荡器和电容式触摸感应IO实现触摸按键接口；
MCU上电启动自动校准，生产、测试过程简单；
可支持按钮、滑块、滚轮以及近距离传感器；
适用于5mm以内的任何绝缘材料、如玻璃、陶瓷、塑料等；
灵敏度可调节，具有很高的调节性；
具有先进的防干扰措施，防止按键误动作，全自动补偿，不受环境温湿度影响。
通讯接口多样性：
提供IIC、SPI、UART等接口。
可采用的芯片型号如下：
ADPT012、SC12A、LPC1100、PIC单片机等几种方案，具体电路设计见附录。
3.2触摸按键监测流程
本方案采用的一般形式为图6所示：
图6方案示意图
利用芯片的GPIO中断功能加上内部定时器，可很方便的测量外部电容量变化。
处理流程如下：
（1）、初始化KEYn为GPIO口，必须关闭内部上拉功能，配置为既不上拉也不下拉的模式；
（2）使能并配置KEYn的高电平中断；
（3）将KEYn设置为输出，并输出低电平，此时电容放电；
（4）开启定时器，将KEYn配置为输入，并开启高电平中断，此时电容开始充电，在KEYn的中断服务函数中读取定时器的时间；
（5）根据这个充电时间的变化量就可以判断出是否有按键按下。
四、电路板布局注意事项：
4.1电路连接到触摸板
由于电线会增加基准电容，因此应尽量缩短触摸板的连接线。
由于弯曲可能影响整个电容变化，连接线应尽可能保持稳定的形状，这点同样非常重要。
由于触摸板驱动电路本身具有高阻抗，因此应避免将高速或大电流驱动电线靠近触摸板电线。
4.2触摸板的形状和大小
可使用标准实体填充的圆形或方形按键板。
可在按键板上钻孔以便提供背光，这不会影响电容性能。
按键板周围通常是接地区域。
可以使用网状和实体填充。
与接地区域的间隙通常为按键板尺寸的1/20。
如果使用10mm的按键板，则适合使用0.5mm的间隙（请参见图5）。
图5触摸板的大小和形状
通常，按键板尺寸越大，其敏感度就越高。
该限制是当手指无法覆盖按键板区域时，增加按键板尺寸并不会产生更好的效果。
按键板与接地平面之间的间隙也会影响其敏感度。
按键板不能太大，这一点很重要。
普通手指应能覆盖一个半大小的触摸板。
4.3PCB厚度与非活动表面接地
由于电容器传感器板通常放置在其它电子器件的顶部，这有助于将地线排在PCB的下侧，使传感器能够屏蔽下方电子器件产生的辐射噪声。
如果采用FR4材料，PCB的厚度对传感器影响不大。
若采用柔性PCB材料，如聚酰亚胺薄膜（Kapton），那么材料越薄，下方的接地板就更靠近传感器按键的表面，且可能干扰其电容性能。
通过使用40%或更小的网状接地可以减小耦合区域，从而能够降低此影响。
五、PCB板表面覆盖
5.1覆盖材料
选择覆盖材料时须考虑两大因素：
1、电容耦合性能（介电常数）
2、静态击穿特性
材料的介电常数越高，手指与传感器板之间的电容耦合性能就越佳。
除空气和某些木头外，上述材料非常适合用作覆盖材料。
由于空气具有较低的电容耦合特征，因此应尽量不要在传感器板与覆盖材料之间留有空隙。
空隙还可能聚集水分，当温度突然改变时这些水分可能凝聚到传感器表面。
表2显示通过覆盖一些常用材料，可避免出现12kV损坏的最小厚度：
要增强ESD保护，可添加一层聚酰亚胺薄膜，这可以大幅提高覆盖层的击穿容限。
5.2覆盖层厚度与敏感度对比
覆盖层厚度通常与敏感度成反比，也成反向指数关系。
诸多因素可能影响电容传感板的敏感度：
按键板尺寸、覆盖层材料及其厚度、感应方法增益（包括IIR滤波器增益和时钟速度）
5.3粘合和其它填充复合材料
在大多数应用中，传感器电极与覆盖层材料之间应密封耦合。
设计人员可以在填充表中选择以机械方式还是粘合方式将覆盖层材料按压在PCB板上。
选择粘合剂时须考虑两大因素：
材料不得携带电荷并且不得影响电容性能（因此，它应当为绝缘体）、材料不会吸收水分。
3M™467MP和468MP高性能丙烯酸双面胶带具有4.2mil58磅涂有聚乙烯的牛皮卡纸，是此应用的理想选择。
六、I2C通讯协议描述：
6.1通讯总线：
a.工业标准NXPI2C总线协议。
b.本部件工作在SLAVE模式。
c.可支持最大速率：
400Kbps。
d.本部件I2C地址（7位）0x6E。
*MASTER读数据指时序：
Start->发写命令（0xDC）->等待应答->写字节偏移地址（0x00）（本方案直接从0X00开始读数据）->等待应答-> Stop->Start->发读命令（0xDD）->等待应答->读数据->非应答->Stop
其它指令请参考标准I2C协议，不再详述。
6.2中断Pin
置低：
检测到按键，从0x00地址开始读4个字节按键数据。
置高：
无任何按键被检查到。
6.3I2C寄存器定义
所有寄存器初始值：
0x00
Bit置1：
对应按键按下。
Bit置0：
对应按键释放。
键值对应表：
Address
Bit0
Bit1
Bit2
Bit3
Bit4
Bit5
Bit6
Bit7
00
2
VoIP
Down
5
Up
。
。
。
（右）
RD/P
OFF
01
。
。
。
（左）
3
6
9
8
#
0
*
02
7
INT
TEL
1
4
03
VoIP座机按键丝印板图
键值对应表：
Address
Bit0
Bit1
Bit2
Bit3
Bit4
Bit5
Bit6
Bit7
00
Mute
Hold
M1
0
M2
Trans
OK
H.F.
01
Vol+
*
3
Conf
#
INT
RD
Vol-
02
4
5
6
7
8
2
1
TEL
03
9
VoIP
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