基于充放電原理的電容式觸摸按鍵設計

田 野，廖明燕

（中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 東營 257061）

與傳統的機械式按鍵相比，電容式觸摸感應按鍵美觀、耐用、壽命長。電容式觸摸感應按鍵實際只是PCB上的一小塊“覆銅焊盤”，與四周“地信號”構成一個感應電容，觸摸該按鍵會影響該電容值。現在檢測電容值的方法有很多種，如電流與電壓相位差檢測、由電容構成的振蕩器頻率檢測、電容橋電荷轉換檢測。而這里則是利用感應電容與電阻構成的RC回路，檢測充放電時間的變化量，不需要專用檢測電路，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[2]，在周圍環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[1]。充放電時間的計算

圖1 電容式觸摸按鍵原理Fig.1 Principle of capacitive touch sensor

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，放電時間會改變為t2，如圖2所示，由此即可判斷出手指是否觸摸到該按鍵[3]。

圖2 電容式觸摸按鍵放電時間Fig.2 Discharging time of capacitive touch sensor

2 檢測電路設計

該檢測電路由MSP430F1121A作為主控制器[4]，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。

圖3 電路原理圖Fig.3 Circuit schematic

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，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4×4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P1.0設為輸出低電平，P1.1設為輸出高電平，待穩定；2）將P1.0設置為輸入并啟動P1.0的上升沿觸發中斷功能，定時器開始計時；3）待到PAD1充電到達觸發電平上限，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，待穩定；5）將P1.1設置為輸入并啟動P1.0的下降沿觸發中斷功能，定時器開始計時；6）待到PAD1放電到達觸發電平下限，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境的影響而變化，尤其是溫度和濕度的影響，因此能跟蹤環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，這樣可以克服環境變化帶來的影響。

4 PCB設計與布局

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of system program

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[5]，通常按鍵與地信號間有0.5 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[6]。

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中必須考慮的問題[7]，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。

[1]MARIN R E,SIMONSON R K.Capacitive keyswitch sensor and method,US,3931610[P].1976.

[2]何燕冬,楊龍,彭濤.電容式觸摸感應技術中的電容物理學[J].電子產品世界,2009,8:17-18.HE Yan-dong,YANG Long,PENG Tao.Physicsof capacitive sensing [J].Electronic Engineering&Product World,2009（8）:17-18.

[3]Texas Instraments.MSP430 capacitive single-touch sensor design guide[EB/OL].(2008-01)[2010-02-02].http://focus.ti.com/lit/an/slaa379/slaa379.pdf.

[4]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[5]戴蓉,劉祖林,王春麟，等.智能儀器儀表中單片機的抗干擾措施[J].儀表技術與傳感器,1999（12）:37-38,41.DAI Rong,LIU Zu-lin,WANG Chun-lin，et al.The means of anti-intereference of microcontroller in the intelligent instrument[J].Instrument Technique and sensor,1999（12）:37-38,41.

[6]OTT H.Noise reduction techniques in electronic systems[M].2nd E Wiley-Interscience,1988.

[7]王秀霞,邵斌.基于電場傳感器MC33794的觸摸按鍵設計[J].電子設計工程,2009,17（2）:100-101.WANG Xiu-xia,SHAO Bin.Design of touching key based on electric-field sensor MC33794 [J].Electronic Design Engneering,2009,17（2）:100-101.