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,。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" title="焊盤">焊盤”,，與四周“地信號”構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)電容，觸摸該按鍵會(huì)影響該電容值?，F(xiàn)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(gòu)成的振蕩器頻率檢測,、電容橋電荷轉(zhuǎn)換檢測,。而這里則是利用感應(yīng)電容與電阻構(gòu)成的RC回路，檢測充放電" title="充放電">充放電時(shí)間的變化量,，不需要專用檢測電路" title="檢測電路">檢測電路,，
成本低廉。
1 檢測原理
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,，與地構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)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(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。通過測量充放電時(shí)間的改變即可檢測是否有按鍵被按下,。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,，開關(guān)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(shí)開關(guān)閉合開始對按鍵充電,，等充滿電穩(wěn)定后再斷開開關(guān),，這時(shí)按鍵開始放電，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 檢測電路設(shè)計(jì)
該檢測電路由MSP430F1121A作為主控制器,，由JTAG接口在線仿真調(diào)試，鍵盤分為單個(gè)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(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
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中的開關(guān)。實(shí)際的電路板中KeyPad與周圍及背面的覆銅構(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對地放電,，多次測量放電時(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)測出合理的閾值。以后檢測到放電時(shí)間超過這一閾值,，則說明有按鍵按下,。為精確測量充放電時(shí)間，要使充放電電流很小,，放電的電阻在兆數(shù)量級,，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(gòu)成一個(gè)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(gè)按鍵,。在掃描過程中如果PAD2與PAD7的掃描結(jié)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(gè)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(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,，檢測其充放電時(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矩陣，而不需專用芯片,。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鍵盤進(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)很長時(shí)間內(nèi)沒有按鍵被按下(這里設(shè)為60 s)，就開始啟動(dòng)校正功能,，重新掃描鍵盤,，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)境變化帶來的影響。
4 PCB設(shè)計(jì)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(yīng),，應(yīng)盡可能采用圓弧形作為邊緣，對于單個(gè)按鍵一般設(shè)計(jì)成直徑10 mm的圓形,，尺寸過小會(huì)使得檢測信號微弱,，不利于檢測，尺寸過大會(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,，所以按鍵既不能過大也不能過小。對于矩陣按鍵,，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,，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(yīng)盡量的細(xì)，不要跨越其他的信號線,，尤其是高頻,、強(qiáng)干擾的信號線,。
5 結(jié)束語
觸摸式按鍵的應(yīng)用越來越廣泛，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(shè)計(jì)利用檢測RC電路充放電時(shí)間的原理以判別按鍵是否被按下，不僅可以檢測單個(gè)按鍵,，還可以檢測矩陣按鍵,，檢測電路僅由電阻電容構(gòu)成的充放電回路及單片機(jī)組成，替代了專用的檢測芯片,，這樣簡單,、易用，且有效地降低了硬件成本,。