電容式觸摸感應按鍵解決方案

方案簡介

在便攜式媒體播放器和移動手持終端等大容量、高可視性產品的應用中，觸摸式按鍵作為一種接口技術已被廣泛采用。由于具有方便易用，時尚和低成本的優勢，越來越多的電子產品開始從傳統的機械按鍵轉向觸摸式按鍵。

基于LPC1100系列Cortex-M0微控制器的電容式觸摸感應按鍵方案，采用LPC1100的GPIO口和兩個內部定時器，即可實現多達24個獨立按鍵或滑條式電容觸摸按鍵的應用。本方案采用外圍RC電路加軟件檢測技術，集成FIR濾波算法，擁有良好的抗干擾性能，可通過EFT（脈沖群抗干擾度測試）4KV的指標，非常適合由交流電驅動的電子設備。

原理概述

電容式觸摸感應按鍵的基本原理如圖1 所示，當人體（手指）接觸金屬感應片的時候，由于人體相當于一個接大地的電容，因此會在感應片和大地之間形成一個電容，感應電容量通常有幾pF到幾十pF。利用這個最基本的原理，在外部搭建相關電路，就可以根據這個電容量的變化，檢測是否有人體接觸金屬感應片。



圖1 電容式觸摸感應原理

基于LPC1100系列Cortex-M0微控制器電容式觸摸感應按鍵原理如圖2 所示，利用LPC1100的GPIO中斷功能加上內部定時器，可很方便的測量外部電容量變化。處理流程如下：

初始化KEY n為GPIO口，必須關閉內部上拉功能，配置為既不上拉也不下拉的模式；

使能并配置KEY n的高電平中斷；

將KEY n設置為輸出，并輸出低電平，此時電容放電；

開啟定時器，將KEY n配置為輸入，并開啟高電平中斷，此時電容開始充電，在KEY n的中斷服務函數中讀取定時器的時間；

根據這個充電時間的變化量就可以判斷出是否有按鍵按下。


圖2 基于LPC1100觸摸按鍵原理

注：圖2中只是示意了2個獨立按鍵連接方案，利用LPC1100內部的GPIO輸入可以連接多達24個獨立按鍵或滑條。

RC電路充放電在有無人體觸摸時的充放電波形圖如圖3所示。當使用GPIO配置為輸入時電容Cx充電，如果沒有人體觸摸的時候電容的充放電曲線如圖3綠線所示；當有人體觸摸的時候，由于人體帶來一個感應電容量，這時電容充放電速度變緩，如圖3紅線所示。利用這個時間的變化，再加GPIO中斷的檢測功能，就可以判斷是否有按鍵按下。


圖3 有無人體觸摸時的RC電路充放電示意圖

方案特性

支持按鍵、滑塊和滾輪觸摸界面；

硬件資源占用少，占用2個定時器和GPIO口；

外圍器件少，每個通道只需兩個電阻和一個電容，制造成本低；

MCU上電自動校準，制造過程簡單；

靈敏度可調節，具有很高的調節性。

應用場合

電容觸摸感應式按鍵具有不怕磨損、不受溫濕度影響、防水保護和成本低廉等優點。因此已經被廣泛的應用于手機、VCD、DVD、電磁爐、油煙機、熱水器、洗衣機、微波爐、咖啡機、電冰箱、MP3、MP4、DPF數碼相框和CAR DVD等。


實物圖片