本文介紹意法半導(dǎo)體的8位STM8微控制器實(shí)現(xiàn)的電容感應(yīng)式觸摸按鍵原理，以及在電磁爐應(yīng)用中的觸摸按鍵解決方案。該方案具有低成本，環(huán)境自適應(yīng)，防水及防電磁干擾等特點(diǎn)，在低品質(zhì)電網(wǎng)環(huán)境中也能可靠工作。
一、 引言
相較于機(jī)械式按鍵和電阻式觸摸按鍵，電容式觸摸按鍵不僅耐用，造價(jià)低廉，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單易于安裝，防水防污，而且還能提供如滾輪、滑動(dòng)條的功能。但是電容式觸摸按鍵也存在很多的問(wèn)題，因?yàn)闆](méi)有機(jī)械構(gòu)造，所有的檢測(cè)都是電量的微小變化，所以對(duì)各種干擾敏感得多。ST針對(duì)家電應(yīng)用特別是電磁爐應(yīng)用，推出了一個(gè)基于STM8系列8位通用微控制器平臺(tái)的電容式觸摸感應(yīng)方案，無(wú)需增加專用觸摸芯片，僅用簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)功能，方便客戶二次開(kāi)發(fā)。
二、方案介紹
ST的電容式觸摸按鍵方案通過(guò)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(lái)檢測(cè)人體觸摸所帶來(lái)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(shù)脂）也不會(huì)對(duì)其檢測(cè)性能有所影響。
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| 圖1 STM8S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(guò)面板下方的線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，磁力線穿過(guò)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16MHz RC可提供MCU 16MHz工作頻率，提供低功耗模式和外設(shè)時(shí)鐘關(guān)閉功能，共有34個(gè)I/O可用。STM8S105S4 具有2KB的RAM和16KB的FLASH，還有可達(dá)30萬(wàn)次擦寫次數(shù)的1KB EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
圖2 電磁爐按鍵板原理 |
三、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(jiàn)的方法采用硬件屏蔽和過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)來(lái)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，ST提供了感應(yīng)電極和走線的設(shè)計(jì)規(guī)范和如圖3所示的Driven Shield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3 Driven Shield |
過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)
1)硬件過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)
過(guò)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(guò)零點(diǎn)的硬件檢測(cè)電路，通過(guò)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(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路1 |
圖5 硬件過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路2 |
2)軟件過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)
硬件過(guò)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(guò)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?guó)內(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(wú)按鍵，紅色表示鍵被按下），而這些圖還只是在電磁爐沒(méi)有開(kāi)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(wú)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。
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(kāi)。
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。
四、總結(jié)
ST提供的解決方案包含了觸摸面板自校準(zhǔn)、軟件濾波、軟件過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)及環(huán)境自適應(yīng)等功能，盡可能地使用軟件算法去屏蔽各種復(fù)雜環(huán)境的干擾，具有低成本及工作可靠等特點(diǎn)。當(dāng)然在其他產(chǎn)品的應(yīng)用中，也會(huì)有一些與電磁爐環(huán)境不同的要求，這里只是介紹了其中一些有代表性的干擾，但只要掌握了電容式觸摸的工作原理，還是有很多種方法來(lái)處理各種應(yīng)用情況。
五、參考文獻(xiàn)
1. ST, Guidelines for designing touch sensing applications, April 2010
2. ST, RC acquisition principle for touch sensing applications, March 2009 |
