ST電容式觸摸按鍵的工作原理及應(yīng)用解析

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，因為沒有機(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

過零點檢測

1）硬件過零點檢測

過零點檢測可采用硬件實現(xiàn)，在硬件設(shè)計中，可以增加如圖4 或圖5過零點的硬件檢測電路，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 硬件過零點檢測電路1

圖5 硬件過零點檢測電路2

2）軟件過零點檢測

硬件過零點檢測增加硬件電路設(shè)計的復(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

因為國內(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。在實驗中發(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，實現(xiàn)了自動校準(zhǔn)功能，實時地提供環(huán)境檢測，實現(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。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。