基于充放电原理的电容式触摸按键设计

    与传统的机械式按键相比，电容式触摸感应按键美观、耐用、寿命长。电容式触摸感应按键实际只是PCB上的一小块“覆铜焊盘”，与四周“地信号”构成一个感应电容，触摸该按键会影响该电容值。现在检测电容值的方法有很多种，如电流与电压相位差检测、由电容构成的振荡器频率检测、电容桥电荷转换检测。而这里则是利用感应电容与电阻构成的RC回路，检测充放电时间的变化量，不需要专用检测电路，
成本低廉。

1 检测原理

    电容式触摸按键电路的原理构成如图1所示，按键即是一个焊盘，与地构成一个感应电容，在周围环境不变的情况下电容值固定为微小值，具有固定的充放电时间，而当有一个导体向电极靠近时，会形成耦合电容，这样就会改变固有的充放电时间，而手指就是这样的导体。通过测量充放电时间的改变即可检测是否有按键被按下。充放电时间的计算公式如下：
   
    式中，t，R，C分别为充放电时间，电阻值，电容值；V1为充放电终止电压值；V2为充放电起始电压值；Vt为充放电t时刻电容上的电压值。

    首先，开关在断开的状态下该按键被下拉电阻拉低，电势为0 V，这时开关闭合开始对按键充电，等充满电稳定后再断开开关，这时按键开始放电，并用定时器记录这段放电时间为t1，反复该过程。当有手指触碰按键时，放电时间会改变为t2，如图2所示，由此即可判断出手指是否触摸到该按键。

2 检测电路设计

    该检测电路由MSP430F1121A作为主控制器，由JTAG接口在线仿真调试，键盘分为单个触摸按键检测和矩阵触摸按键检测两部分，如图3所示。其占用的单片机资源包括带有中断功能的GPIO口和定时计数器。

2．1 单个触摸按键检测

    图3中连接单片机P2．5引脚的KeyPad与电阻R5构成一个RC充放电回路，这里由单片机的P2．5引脚控制电容的充放电，其作用相当于图1中的开关。实际的电路板中KeyPad与周围及背面的覆铜构成电容，P2．5置为高电平，给KeyPad充电，等到稳定后将P2．5引脚置为输入，并使能中断功能，且设为下降沿触发，这时KeyPad上的电荷会由R5对地放电，多次测量放电时间，作为基准放电时间。当手指触碰时，放电时间会改变，反复实验测出合理的阈值。以后检测到放电时间超过这一阈值，则说明有按键按下。为精确测量充放电时间，要使充放电电流很小，放电的电阻在兆数量级，这里选用6．1 MΩ的电阻，MSP430引脚设为输入时的漏电流为50 nA，对放电回路可以忽略。

2．2 矩阵触摸按键检测

    MSP430的P1．0～P1．3和P2．0～P2．3分别连接到PAD1～PAD4和PAD5～PAD8构成一个4x4的键盘矩阵，按键从A～P，如图3所示。两两焊盘交汇处即是一个按键。在扫描过程中如果PAD2与PAD7的扫描结果超出阈值，则说明其交汇处(即按键G)被按下。需要注意的是其充放电过程有所变化，不再是单一的电容对地放电，而是两个焊盘间互相充放电。例如行扫描的PAD1与PAD2通过R1由引脚P1．0和P1．1互相充放电。对于PAD1的检测过程如下：1)将P1．O设为输出低电平，P1．1设为输出高电平，待稳定；2)将P1．0设置为输入并启动P1．0的上升沿触发中断功能，定时器开始计时；3)待到PAD1充电到达触发电平上限，产生中断，停止计时，算出按键1的充电时间t+；4)将P1．0设为输出高电平，P1．1设为输出低电平，待稳定；5)将P1．1设置为输入并肩动P1．0的下降沿触发中断功能，定时器开始计时；6)待到PAD1放电到达触发电平下限，产生中断，停止计时，算出按键1的放电时间t_；7)利用t+和t_求出按键1的平均充放电时间tbase，并作为基准值；8)按照步骤1)～步骤6)不断检测充放电时间t，并与基准值tbase作比较，如果其差值超出某一阈值，则可以判断有按键被按下；9)用同样的步骤计算PAD2的充放电时间，完成PAD1和PAD2的充放电扫描。10)同理，分别由PAD3和PAD4、PAD5和PAD6、PAD7和PAD8构成充放电电极对，检测其充放电时间。利用这种结构可构成规模较大的低成本触摸键盘矩阵，而不需专用芯片。电路中用充放电时间平均值代替放电时间平均值，更能增强抗干扰性。

3 软件程序设计

    软件设计最主要的是基于以上步骤不断对键盘进行扫描，除此之外由于触摸按键的电容值会受环境的影响而变化，尤其是温度和湿度的影响，因此能跟踪环境变化及时校正基本充放电时间tbase很必要，整体软件设计如图4所示。

    如果控制器发现很长时间内没有按键被按下(这里设为60 s)，就开始启动校正功能，重新扫描键盘，获取新的充放电时间，并作为基准值，这样可以克服环境变化带来的影响。

4 PCB设计与布局

    键盘可以做成任意形状，但为尽量避免尖端放电效应，应尽可能采用圆弧形作为边缘，对于单个按键一般设计成直径10 mm的圆形，尺寸过小会使得检测信号微弱，不利于检测，尺寸过大会使未碰触时和碰触时电容量的差值降低，而设计时尽量使差异值最大化，所以按键既不能过大也不能过小。对于矩阵按键，应设计成相互交叉的手指状。各个感应盘的形状、面积应该相同，以保证灵敏度一致。各触摸按键之间应尽量远一点，以减少相互间的干扰，可用覆地隔开，通常按键与地信号间有O．5 mm的间隙，在按键的背面也覆一层地，以减少电磁干扰。触摸按键的连接线应尽量的细，不要跨越其他的信号线，尤其是高频、强干扰的信号线。

5 结束语

    触摸式按键的应用越来越广泛，如何有效地降低制造成本是产品研发中必须考虑的问题，而电容式触摸按键的检测方法有多种，本论文中用到的硬件设计利用检测RC电路充放电时间的原理以判别按键是否被按下，不仅可以检测单个按键，还可以检测矩阵按键，检测电路仅由电阻电容构成的充放电回路及单片机组成，替代了专用的检测芯片，这样简单、易用，且有效地降低了硬件成本。