基于stm8系列8位通用微控制器平臺(tái)的電容式觸摸傳感方案

與機(jī)械鍵和電阻式觸摸鍵相比，電容式觸摸鍵不僅耐用、成本低，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，防水防污，還提供滾輪、滑桿等功能。然而，電容式觸摸按鈕也存在許多問題。由于沒有機(jī)械結(jié)構(gòu)，所有的檢測(cè)都是電的微小變化，因此它們對(duì)各種干擾更加敏感。本文介紹了一種基于stm8系列8位通用微控制器平臺(tái)的電容式觸摸傳感方案，用于家用電器應(yīng)用，特別是電磁爐應(yīng)用。電容式觸摸傳感功能無需添加專用觸摸芯片，只需簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)，方便進(jìn)行二次開發(fā)。

方案介紹

電容式觸摸按鍵方案通過一個(gè)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(shí)間來檢測(cè)人體觸摸所帶來的電容變化。如圖1所示，當(dāng)人手按下時(shí)相當(dāng)于感應(yīng)電極上并聯(lián)了一個(gè)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(shí)間會(huì)增加，從而檢測(cè)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(dòng)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(huì)對(duì)其檢測(cè)性能有所影響。

圖1STM8S電容式觸摸按鍵的工作原理

電磁爐是采用磁場(chǎng)感應(yīng)電流的加熱原理對(duì)食物進(jìn)行加熱。加熱時(shí)，通過面板下方的線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，磁力線穿過導(dǎo)磁體做的鍋的底部時(shí)，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(gè)按鍵的掃描、24個(gè)LED及一個(gè)4位數(shù)碼管的顯示、I2C與主板的通訊，并留有一個(gè)SWIM接口方便工程師調(diào)試之用（如圖2）。

STM8S105S4采用的是ST高級(jí)STM8內(nèi)核，具備3級(jí)流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，3.0~5.5V工作電壓，內(nèi)部16MHzRC可提供MCU16MHz工作頻率，提供低功耗。

圖2電磁爐按鍵板原理

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(shí)，也對(duì)電路板上感應(yīng)電極正向或反向的電流，從而會(huì)縮短或增長(zhǎng)按鍵充放電時(shí)間，會(huì)對(duì)按鍵的檢測(cè)造成很大影響，甚至產(chǎn)生誤動(dòng)作，常見的方法采用硬件屏蔽和過零點(diǎn)檢測(cè)來消除電磁輻射對(duì)按鍵的影響。

硬件屏蔽

在STM8S的解決方案中，感應(yīng)電極和走線的設(shè)計(jì)規(guī)范和如圖3所示的DrivenShield功能（在Shield線上提供與按鍵管腳相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電極與Shield之間的寄生電容就不會(huì)被充放電），能有效地減少感應(yīng)電極走線的寄生電容對(duì)按鍵靈敏度的影響。

圖3DrivenShield

過零點(diǎn)檢測(cè)

1）硬件過零點(diǎn)檢測(cè)

過零點(diǎn)檢測(cè)可采用硬件實(shí)現(xiàn)，在硬件設(shè)計(jì)中，可以增加如圖4或圖5過零點(diǎn)的硬件檢測(cè)電路，通過在B端輸出為高電平時(shí)進(jìn)行按鍵狀態(tài)的判斷，以期在電磁輻射最小的時(shí)候?qū)τ|摸按鍵進(jìn)行檢測(cè)。

圖4硬件過零點(diǎn)檢測(cè)電路1

圖5硬件過零點(diǎn)檢測(cè)電路2

2）軟件過零點(diǎn)檢測(cè)

硬件過零點(diǎn)檢測(cè)增加硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，增加方案成本，在我們的解決方案中，針對(duì)電磁爐的工作環(huán)境，我們采用軟件進(jìn)行過零點(diǎn)檢測(cè)，從而降低成本，有效解決電磁爐主功率電路對(duì)觸摸按鍵的干擾

2.電網(wǎng)干擾

因?yàn)閲鴥?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(huì)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(shí)產(chǎn)生的電磁輻射將會(huì)使看到的信號(hào)更加雜亂無章。在實(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)候，會(huì)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(huì)在一個(gè)很寬的范圍浮動(dòng)，而隨著使用時(shí)間的推移，包括玻璃面板、PCB板都會(huì)出現(xiàn)不同程序的老化，從而影響按鍵檢測(cè)的準(zhǔn)確度。在ST的解決方案中，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)校準(zhǔn)功能，實(shí)時(shí)地提供環(huán)境檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)的機(jī)制。

總結(jié)

本文的解決方案包括觸摸屏自校準(zhǔn)、軟件過濾、數(shù)據(jù)采集等功能，軟件過零檢測(cè)和環(huán)境適應(yīng)。它采用軟件算法，盡可能地屏蔽各種復(fù)雜環(huán)境的干擾，具有成本低、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。當(dāng)然，在其他產(chǎn)品的應(yīng)用中，也會(huì)有一些不同于電磁爐環(huán)境的要求。這里我們只介紹一些有代表性的干擾，但只要我們掌握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。