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1、基于AD的电容触摸按键电路设计第23卷第3期宁波大学学报（理工版）Vol.23No.32010年7月JOURNALOFNINGBOUNIVERSITY(NSEE)July2010文章编号:1001-5132（2010）03-0122-04基于A/D的电容触摸按键电路设计方献良（宁波方太厨具有限公司,浙江宁波315336）摘要:电容式感应按键以其无机械磨损、寿命长、防水防污、易清洁和时尚的特点,近几年应用领域和数量迅速增加.因此,结合电容感应按键的特点,设计了一种用A/D口搭配简单的电路实现电容感应按键的方法.经测试,电路的稳定性较高,在低
2、成本的电路中适用性较强.关键词:电磁场;电磁场能量;电容充放电中图分类号:TP334.2文献标识码:A触摸控制技术又可分为触摸屏(TouchScreen)技术和触摸按键(TouchKey)技术.在触摸按键技术方面,目前主要可分为电阻式触摸按键与电容式感应按键.由于电阻式的触摸按键需要在设备表面贴一张触摸电阻薄膜,其耐用性较低[1];而电容感应按键技术具有在非金属操作面板上无须开孔处理、防水防污、易清洁、无机械开关磨损而寿命长等优点.近几年随着苹果公司将电容触摸感应技术从笔记本电脑引用到iPod后,电容触摸感应热浪正席卷几乎所有电子产品,从
3、笔记本电脑、智能电话、PDA、游戏机等手持设备,到LCDTV、DVD等消费电子产品,再到洗衣机、空调、冰箱、热水器、电磁炉以及咖啡壶等大小家电,无不以加入电容触摸感应为新的卖点[2].目前,世界知名电子元件供应商均加大了对电容触摸按键的应用研究,并推出众多的专业芯片,有专用电容感应按键类的全ASIC,也有众多基于MCU集成类的IC.但这些芯片价格较高,在一些按键数量少、成本要求低的电路中很难得到运用.另外,使用这些集成类IC,很难做到所选资源恰好等于使用的情况,存在资源的浪费情况.而且对于升级成熟产品的机械式按键,还存在变更原MCU代码的
4、风险.同时,目前,对于电容式触摸按键的介绍大多也停留在基于电容量测量的原理上[3].笔者结合电容感应按键的原理,设计了一种用MCU的A/D口实现电容触摸按键的低成本电路.1电容式感应按键原理平行板电容器具有2个极板,其间隔着1层介质,电容器中的大部分能量直接聚集在2个极板之间,1个极板电荷数量的变化将引起另外极板电荷的增减,从而在电容内部形成电流.电容式感应按键的原理如图1所示,感应按键的金属电极,放置于非金属面板内,并连接交变的电信号.如果在非金属面板另一侧与金属电极对应处放置另外1块金属板(图2),那么,2个极板就组成了平行板电容器,
5、非金属面板成为此平行板电容器的介质.由于电场被封闭在2个金属极板之间,所以大部分能量均集中在非金属面板内.如果收稿日期:2010-03-12.宁波大学学报（理工版）网址:http://3xb.nbu.edu.cn作者简介:方献良（1966－）,男,河南柘城人,工程师,主要研究方向:电子产品研发.E-mail:fangxl@fotile.com第3期方献良:基于A/D的电容触摸按键电路设计123在非金属面板外隔着金属,手指触摸对其能量损失的影响就很小.图1电容感应按键示意图图2封闭电场示意图去除外侧的金属板,电场的能量就会穿过非金属的密集区
6、,向外传播(图3).当导体靠近操作面(即非金属面板表面)后,电磁场即在导电介质中传播.由于导体中存在自由电子,这些自由电子在电场作用下就会形成传导电流,进而产生焦耳热,从而引起电磁波能量损耗[4].由于人体组织中充满了传导电解质(一种有损电介质),当手指靠近时,同样会引起电磁能量损耗.因此只要检测流经感应电极的电能变化,就可以判断是否有手指靠近非金属操作面板.图3电容感应电极的电力线2电容感应按键取样电路分析图4为电容感应按键取样电路图,电路由5个分离元件组成.其脉冲信号频率为300kHz,幅度12V,占空比为50%.通过读取电容1C上的
7、电压值判别是否有手指靠近操作区域.其原理分析如下:二极管1N4148正向导通电压为dV,在脉冲信号跳变为高电平(12V)时,假定电容1C上电压为0U,电容的充电回路根据1C电压大小出现如下2种情况:(1)若0(12)/2d.U>V,则充电回路为图5(a),充电时间常数τ=RC=106×0.1×10.6=0.1s,电容1C的充电电压://0t(12)(1t)CdU=Ue.τ+.V×.e.τ.(1)(2)若0(12)/2d.U≤V,则充电回路为图5(b),充电时间常数τ=RC=2×106×0.1×10.6=0.2s,电容1C的充电电压为://
8、0t12(1t)CU=Ue.τ+.e.τ.在振荡脉冲跳变为低电平时,根据电容1C电压大小,出现以下2种放电回路:(1)当02dU>V时,放电回路为图5(c),放电电路的τ=RC=106×0.1
