市場上的消費(fèi)電子產(chǎn)品已經(jīng)開始逐步采用觸摸感應(yīng)按鍵，以取代傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵。針對此趨勢，Silicon Labs公司推出了內(nèi)置微控制器（MCU）功能的電容式觸摸感應(yīng)按鍵（Capacitive Touch Sense）方案。電容式觸摸感應(yīng)按鍵開關(guān)，內(nèi)部是一個以電容器為基礎(chǔ)的開關(guān)。以傳導(dǎo)性物體（例如手指）觸摸電容器可改變電容，此改變會被內(nèi)置于微控制器內(nèi)的電路所偵測。

圖1：電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理

一種可偵測因觸摸而改變的電容的方法

電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理就是一個不斷地充電和放電的張弛振蕩器。如果不觸摸開關(guān)，張弛振蕩器有一個固定的充電放電周期，頻率是可以測量的。如果我們用手指或者觸摸筆接觸開關(guān)，就會增加電容器的介電常數(shù)，充電放電周期就變長，頻率就會相應(yīng)減少。所以，我們測量周期的變化，就可以偵測觸摸動作。

具體測量的方式有二種：

（一）可以測量頻率，計算固定時間內(nèi)張弛振蕩器的周期數(shù)。如果在固定時間內(nèi)測到的周期數(shù)較原先校準(zhǔn)的為少，則此開關(guān)便被視作為被按壓。

（二）也可以測量周期，即在固定次數(shù)的張弛周期間計算系統(tǒng)時鐘周期的總數(shù)。如果開關(guān)被按壓，則張弛振蕩器的頻率會減少，則在相同次數(shù)周期會測量到更多的系統(tǒng)時鐘周期。

Silicon Labs推出的C8051F9xx微控制器（MCU）系列，可通過使用芯片上比較器和定時器實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵功能電容觸摸，連接最多23個感應(yīng)按鍵。而且無須外部器件，通過PCB走線/開關(guān)作為電容部分，由內(nèi)部觸摸感應(yīng)按鍵電路進(jìn)行測量以得知電容值的變化。

圖2：Silicon Labs推出的C8051F9xx微控制器（MCU）系列

以Silicon Labs的MCU實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵

利用Silicon Labs其它MCU系列，僅需搭配無源器件，即可實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)按鍵方案。與C8051F93x-F92x方案相比，唯一所需的外部器件是（3+N）電阻器，其中N是開關(guān)的數(shù)目，以及3個提供反饋的額外端口接點(diǎn)。C8051F93x-F92x之外，Silicon Labs其它MCU系列可直接連接12個開關(guān)，或者通過外部模擬多路復(fù)用器連接更多開關(guān)。

設(shè)計觸摸感應(yīng)按鍵開關(guān)

因?yàn)槲覀円獋蓽y電容值的變化，所以希望變化幅度越大越好?，F(xiàn)在，有三個主要因素會影響開關(guān)電容及變化幅度。

1)PCB上開關(guān)的大小、形狀和配置

2)PCB走線和使用者手指間的材料種類

3)連接開關(guān)和MCU的走線特性

我們測試了如圖2中的12種不同開關(guān)。目的是為了發(fā)現(xiàn)開關(guān)的形狀尺寸會如何影響開關(guān)的空閑和被接觸的狀態(tài)，還可以發(fā)現(xiàn)哪一種開關(guān)的空閑電容最大，就不容易被PCB上的寄生電容而影響。測試結(jié)果表明，在特定區(qū)域中的開關(guān)越大且走線越多，則此開關(guān)的閑置電容便越高。圖中的環(huán)狀開關(guān)具有最低的電容，所以當(dāng)開關(guān)動作時，可顯現(xiàn)最大的電容相對變化。

圖3：對12種不同形狀的開關(guān)進(jìn)行測試

開關(guān)的形狀尺寸會如何影響開關(guān)的空閑和被接觸的狀態(tài)

由于開關(guān)上方的材料種類，會影響閑置電容和電容的變化率。我們還測試了玻璃、有機(jī)玻璃Mylar聚酯薄膜、ABS塑料和FR4玻璃纖維，這幾種不同材料。我們發(fā)現(xiàn)，盡可能使用最薄的材料，使電容變化極大化。而且，建議使用具有高介電常數(shù)的材料，例如玻璃，以增加開關(guān)的絕對電容。

總結(jié)

Silicon Labs的電容式觸摸感應(yīng)按鍵的優(yōu)點(diǎn)很多。首先，只需要很少的微控制器開銷（overhead）。設(shè)計一個開關(guān)僅需443字節(jié)碼空間，每多增加一個開關(guān)僅需多增加額外的 1字節(jié)。硬件資源只需要一個比較器和定時器。還可以采用高效率算法，讓微控制器可以進(jìn)入低功耗模式，并能定期喚醒以偵測開關(guān)動作?？傮w只占用低于0.05% 的CPU資源。

其次，沒有外部硬件開銷?？梢詫㈤_關(guān)走線直接連至MCU端口管腳，無須其它外部的反饋電阻器或電容器。而且芯片配置也很簡單。無論開關(guān)使用為何材料，完成都很容易。另外，按鍵的偵測，不易受到噪聲和供應(yīng)電壓的影響。不受50/60 Hz噪聲的影響電容觸摸，也不需要精密電壓源（VDD）。

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文章由啟和科技編輯