CN105306038A - 一种电容感应触控按键及其判键方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种电容感应触控按键，包括设置有计时器的微控制单元，所述的微控制单元包括一个GPIO端口，还包括一个电容和一个上拉电阻；所述的上拉电阻的一端与所述的GPIO端口相连，另一端连接高电平；所述的电容的一端与所述的GPIO端口相连，另一端接地；所述的上拉电阻、电容和GPIO端口相连接的公共点连接电容按键，本发明提供了一种占用硬件资源少，抗干扰能力强，控制方便，功耗较低且成本较低的电容感应触控电路。

Description

一种电容感应触控按键及其判键方法

技术领域

本发明涉及触摸按键制造技术领域，尤其涉及一种电容感应触控按键及其判键方法。

背景技术

电容式触控技术在各种电子设备中的应用已较为成熟，例如在手机，PAD，DVD，TV，洗衣机等领域的设计方案中已经有了广泛使用，采用电容式触控技术的电容式触摸按键逐渐替代了机械式按键。与传统的机械式按键相比，电容式触摸按键不仅美观而且耐用、寿命长，机构简单易于安装，成本较低，相对于传统意义上的机械式按键，电容式触摸按键只要轻轻触碰，就可以实现对按键的开关控制、量化调节甚至方向控制。相对地，机械式按键就具有安装和操作不够方便，长时间使用后容易进灰尘，不够卫生，成本较高，以及使用寿命短等问题。由于上述原因，尤其是电容式触摸按键的耐用性，电容式触控技术逐渐成为触摸控制的首选技术。电容式触控技术在消费市场已经获得广泛的认可，正逐渐出现在更多的消费设备市场。

电容式触摸按键的结构与电阻式的相似，但是其采用电容量为判断标准。电容式触摸按键包括一个IC(集成电路)控制的电路，该电路包括一个放置在操作面板后的简单阻性环形电极组件。按键的操作面板可以是一整块普通材质的绝缘体，如有机玻璃，或者其他一般材料。所述的操作面板不需要挖孔，人手接近界面并和下面的电极片形成电容，靠侦测电容量的变化来感应控制电路。一般不受温度、静电、水、灰尘等外界因素的影响，单靠人手感应作为电容量的变量。整个界面没有按键的存在，便于清洁，使产品的外观更加高档美观，由于按键没有接触点，使用寿命也非常长久，因为没有机械结构的寿命问题，只是按电子器件的寿命来决定按键的寿命，几乎可保持永久性。

电容式触摸按键现有的常用方案，已常用的专用电容按键IC方案和PWM(脉冲宽度调制)方案两种为例阐述。

专用电容按键IC方案。优点是可以扩展多个电容按键，软件设计相对简单，一般通过专用接口，如IIC与MCU相连。缺点是，需要有专用接口，增加芯片，成本提高，特别是当按键数量较少时，更为明显。

PWM方案。方案如图1所示，此方案一般为两个GPIO(GeneralPurposeInputOutput，简称为GPIO，或总线扩展器。当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口，或当系统需要采用远端串行通信或控制时，GPIO产品能够提供额外的控制和监视功能)。一个GPIO输出PWM波形，负责提供改变电压值；另一个GPIO是输入信号，负责检测电压的变化。如图1所示，GPIO1输出为高电平，电容C’充电，电容电压上升，当GPIO2检测到高电平后，MCU(微控制单元)控制GPIO1变为低电平，电容C’又放电，电容电压下降，当GPIO2检测到低电平后，GPIO1又输出高电平。GPIO1变化的频率和电容C’的电容值有关。检测到GPIO1上频率的变化，就是检测到按键的变化，从而检测到人手的按下。其波形如下图2。此方案优点是无需外加芯片，成本降低。缺点是检测时间较长，至少需要两个GPIO，并且有一个需要有PWM功能，对MCU’要求较高。

例如公开号为CN104215812A的专利申请文件中，“公开了一种MCU芯片电压检测电路，MCU具有第一I/O端口、第二I/O端口、定时器、连接电源电压的电压输入端和接地端；第一I/O端口为输出端口，该第一I/O端口的输出电压由MCU控制；第二I/O端口为输入端口”。采用的便是PWM方案。

上述设计方案的关键就是检测电容量的变化，而电容量的变化在实际的系统中体现在充放电时间的变化。当充放电时间变化越明显，那么MCU检测变化越准确，误检率越小。

综合上述，现有设计方案对处理器接口方式要求较高，占用硬件资源较多，或者需要有专用接口，或者至少有带PWM功能的IO口，控制复杂，低功耗控制复杂，功耗较高。

原有的计划方案相对复杂，如专用电容按键IC方案需使用专有IC，或者如PWM方案需使用若干GPIO管脚并且需要有PWM功能，不利于控制成本。故，原有设计方案中，对处理器接口方式要求较高，占用硬件资源较多，控制复杂，功耗较高，成本也较高。

发明内容

本发明的发明目的是解决上述现有电容感应触控电路的局限性，提供一种占用硬件资源少，抗干扰能力强，控制方便，功耗较低且成本较低的电容感应触控电路。

本发明一种电容感应触控按键，包括设置有计时器的微控制单元，所述的微控制单元包括一个GPIO端口，还包括一个电容和一个上拉电阻；所述的上拉电阻的一端与所述的GPIO端口相连，另一端连接高电平；所述的电容的一端与所述的GPIO端口相连，另一端接地；所述的上拉电阻、电容和GPIO端口相连接的公共点连接电容按键。

作为优选，所述的电容并联对地电阻；所述的对地电阻的一端与所述的GPIO端口相连，另一端接地。

一种电容感应触控按键的判键方法，包括以下步骤：

步骤一、初始化GPIO端口，关闭微控制单元内部的上拉功能，配置为既不上拉也不下拉的模式；

步骤二、使能并配置GPIO端口的高电平中断；

步骤三、将GPIO端口设置为输出，并输出低电平；此时电容放电；

步骤四、启动微控制单元的计时器功能，同时GPIO端口配置为输入，并开启高电平中断；此时电容开始充电，在GPIO端口的中断服务函数中读取定时器的时间；

步骤五、根据检测到所述的电容的充电时间是否存在变化量判断是否有按键按下；所述的电容的充电时间的变化量采用时间差Δt表示，假设所述的电容按键触碰引起所述的电容的电容值变量为ΔC，电容值变量为ΔC与电容的充电时间时间差Δt的关系为

$\mathrm{\Δ}t=R1\mathrm{\Δ}Cln\left(\frac{U}{U-U_H}\right),$

其中，R1表示上拉电阻的阻值，U表示所述的上拉电阻连接的高电平端的电压值，U_H表示GPIO端口检测到高电平时的电压。

一种电容感应触控按键的判键方法，包括以下步骤：

步骤一、初始化GPIO端口，关闭微控制单元内部的上拉功能，配置为既不上拉也不下拉的模式；

步骤二、使能并配置GPIO端口的高电平中断；

步骤三、将GPIO端口设置为输出，并输出低电平；此时电容放电；

步骤四、启动微控制单元的计时器功能，同时GPIO端口配置为输入，并开启高电平中断；此时电容开始充电，在GPIO端口的中断服务函数中读取定时器的时间；

步骤五、根据检测到所述的电容的充电时间是否存在变化量判断是否有按键按下；所述的电容的充电时间的变化量采用时间差Δt表示，假设所述的电容按键触碰引起所述的电容的电容值变量为ΔC，电容值变量为ΔC与电容的充电时间时间差Δt的关系为

$\mathrm{\Δ}t=\frac{R1\mathrm{\Δ}C}{V}ln\left(\frac{U}{U-{\mathrm{VU}}_C}\right)$

其中，V表示电压分压系数，V的计算公式为R1表示上拉电阻的阻值，R2表示对地电阻的阻值，U表示所述的上拉电阻连接的高电平端的电压值，U_c表示电容上的电压。

采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明一种电容感应触控按键及其判键方法，只需配置一个GPIO端口，一或二个电阻和一个电容，就实现了电容触控按键的检测和判断。本发明有且只有一个GPIO端口，占用硬件资源少，大大降低了电容按键的设计成本，特别适合低成本应用，同时使用GPIO比较少的MCU的应用又降低了对MCU的需求。

只需要在每一定时间段只需要进行一次电容翻转即可，其他时间芯片可以处于睡眠状态，相比较PWM方案和专用电容按键IC方案，大大节约了功耗。本发明对移动式设备对节能非常严格要求的场合，提供了一种便捷和可行的方法。

附图说明

图1是现有技术中PWM方案的电路结构图。

图2是采用图1中PWM方案得到的波形图。

图3是本发明第一种方案的电路结构图。

图4是本发明第二种方案的电路结构图。

图5是本发明的Uc/U随时间t变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图3所示本发明包括设置有计时器的微控制单元，所述的微控制单元包括一个GPIO端口，还包括一个电容和一个上拉电阻；所述的上拉电阻的一端与所述的GPIO端口相连，另一端连接高电平；所述的电容的一端与所述的GPIO端口相连，另一端接地；所述的上拉电阻、电容和GPIO端口相连接的公共点连接电容按键。除此之外，如图4所示，所述的电容并联对地电阻；所述的对地电阻的一端与所述的GPIO端口相连，另一端接地。

一种电容感应触控按键的判键方法，包括以下步骤：

步骤一、初始化GPIO端口，关闭微控制单元内部的上拉功能，配置为既不上拉也不下拉的模式；

步骤二、使能并配置GPIO端口的高电平中断；

步骤三、将GPIO端口设置为输出，并输出低电平；此时电容放电；

步骤四、启动微控制单元的计时器功能，同时GPIO端口配置为输入，并开启高电平中断；此时电容开始充电，在GPIO端口的中断服务函数中读取定时器的时间；

步骤五、根据检测到所述的电容的充电时间是否存在变化量判断是否有按键按下；所述的电容的充电时间的变化量采用时间差Δt表示，设所述的电容按键触碰引起所述的电容的电容值变量为ΔC，电容值变量为ΔC与电容的充电时间时间差Δt的关系为

$\mathrm{\Δ}t=R1\mathrm{\Δ}Cln\left(\frac{U}{U-U_H}\right),$

其中，R1表示上拉电阻的阻值，U表示所述的上拉电阻连接的高电平端的电压值，U_H表示GPIO端口检测到高电平时的电压。

其推导公式由U＝I_CR1+U_C，U_c表示电容上的电压，可解得故而可以推导出，当GPIO检测到高电平时，U_H＝U_C，则设所述的电容按键触碰引起所述的电容的电容值变量为ΔC，可得 $\mathrm{\Δ}t=R1\mathrm{\Δ}Cln\left(\frac{U}{U-U_H}\right).$

人手带来的电容变化最后体现在了上升时间，而由于人手电容一般是10PF左右，所以时间变化的大小主要和充电电阻R1有关，电阻越大，时间变化就越大。使用非常大的上拉电阻，可以以提供足够大的充电时间变化，但是这会带来一个问题，当电阻过大，充电电流过小，抗干扰能力大大下降，手上的静电会导致MCU的GPIO上电压出现较大波动，反而影响了测量的准确性。所以本设计主要是提出了一个新的解决方案，在不使用过大电阻的情况下，仍然可以提供足够大的时间变化，以便于检测电容按键的容值变化。

一种电容感应触控按键的判键方法，包括以下步骤：

步骤一、初始化GPIO端口，关闭微控制单元内部的上拉功能，配置为既不上拉也不下拉的模式；

步骤二、使能并配置GPIO端口的高电平中断；

步骤三、将GPIO端口设置为输出，并输出低电平；此时电容放电；

步骤四、启动微控制单元的计时器功能，同时GPIO端口配置为输入，并开启高电平中断；此时电容开始充电，在GPIO端口的中断服务函数中读取定时器的时间；

步骤五、根据检测到所述的电容的充电时间是否存在变化量判断是否有按键按下；所述的电容的充电时间的变化量采用时间差Δt表示，设所述的电容按键触碰引起所述的电容的电容值变量为ΔC，电容值变量为ΔC与电容的充电时间时间差Δt的关系为

$\mathrm{\Δ}t=\frac{R1\mathrm{\Δ}C}{V}ln\left(\frac{U}{U-{\mathrm{VU}}_C}\right)$

其中，V表示电压分压系数，V的计算公式为R1表示上拉电阻的阻值，R2表示对地电阻的阻值，U表示所述的上拉电阻连接的高电平端的电压值，U_c表示电容上的电压。

其推导公式由U＝I_R1R1+U_C，I_R1＝I_R2+I_C，可解得 $U_C=\frac{U}{1+\frac{R1}{R2}}(1-e^{-\frac{(1+\frac{R1}{R2})t}{R1C}}),$ 故而可以推导出，V的计算公式为 $V=1+\frac{R1}{R2},U_C=\frac{U}{V}(1-e^{-\frac{Vt}{R1C}}),$ 当GPIO检测到高电平时，U_H＝U_C，则设所述的电容按键触碰引起所述的电容的电容值变量为ΔC，可得

本发明RC电路充放电在无人体触摸时的充放电波形图进行周期性充放翻转，当有人体触摸的时候，由于人体带来一个感应电容量ΔC，这时电容充放电速度变缓，利用这个时间的变化，加上GPIO中断的检测功能，就可以判断是否有按键按下。

实施例一，如图5所示，是由matlab计算，当我们选择的参数VUh接近U时，可以带来时间变化上的增加，从而提高了检测的准确性。

从图5中我们可以看出，假设R＝500K，C＝10PF，人手带来的ΔC＝10PF，Uh＝0.5U，在曲线中，如果没有下拉电阻R2,即V＝1,充电翻转的时间差是3.4us(如曲线k1所示)，人手带来电容ΔC后充电翻转的时间差为原来的两倍(如曲线k1’所示)；而当电阻R1/R2＝2/3时,即V＝1.6看到的充电翻转的时间差是5.3us(如曲线k2所示),人手带来电容ΔC后充电翻转的时间差为原来的两倍(如曲线k2’所示)；当电阻R1/R2＝0.8，即V＝1.8时，充电翻转的时间差是6.6us(如曲线k3所示),人手带来电容ΔC后充电翻转的时间差为原来的两倍(如曲线k3’所示)。由图中可以得出，当增加了对地电阻R2时，改变了U和U_C的比值，可以带来时间变化上的增加，从而提高了检测的准确性。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种电容感应触控按键，包括设置有计时器的微控制单元MCU，所述的微控制单元MCU包括一个GPIO端口，其特征在于：还包括一个电容C和一个上拉电阻R1；所述的上拉电阻R1的一端与所述的GPIO端口相连，另一端连接高电平；所述的电容C的一端与所述的GPIO端口相连，另一端接地；所述的上拉电阻R1、电容C和GPIO端口相连接的公共点连接电容按键M。

2.根据权利要求1所述的一种电容感应触控按键，其特征在于：所述的电容C并联对地电阻R2；所述的对地电阻R2的一端与所述的GPIO端口相连，另一端接地。

3.一种根据权利要求1所述的电容感应触控按键的判键方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、初始化GPIO端口，关闭微控制单元MCU内部的上拉功能，配置为既不上拉也不下拉的模式；

步骤二、使能并配置GPIO端口的高电平中断；

步骤三、将GPIO端口设置为输出，并输出低电平；此时电容C放电；

步骤四、启动微控制单元MCU的计时器功能，同时GPIO端口配置为输入，并开启高电平中断；此时电容C开始充电，在GPIO端口的中断服务函数中读取定时器的时间；

步骤五、根据检测到所述的电容C的充电时间是否存在变化量判断是否有按键按下；所述的电容C的充电时间的变化量采用时间差Δt表示，假设所述的电容按键M触碰引起所述的电容C的电容C值变量为ΔC，电容C值变量为ΔC与电容C的充电时间时间差Δt的关系为

$\mathrm{\Δ}t=R1\mathrm{\Δ}Cln\left(\frac{U}{U-U_H}\right),$

其中，R1表示上拉电阻R1的阻值，U表示所述的上拉电阻R1连接的高电平端的电压值，U_H表示GPIO端口检测到高电平时的电压。

4.一种根据权利要求2所述的电容感应触控按键的判键方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、初始化GPIO端口，关闭微控制单元MCU内部的上拉功能，配置为既不上拉也不下拉的模式；

步骤二、使能并配置GPIO端口的高电平中断；

步骤三、将GPIO端口设置为输出，并输出低电平；此时电容C放电；

步骤四、启动微控制单元MCU的计时器功能，同时GPIO端口配置为输入，并开启高电平中断；此时电容C开始充电，在GPIO端口的中断服务函数中读取定时器的时间；

步骤五、根据检测到所述的电容C的充电时间是否存在变化量判断是否有按键按下；所述的电容C的充电时间的变化量采用时间差Δt表示，假设所述的电容按键M触碰引起所述的电容C的电容C值变量为ΔC，电容C值变量为ΔC与电容C的充电时间时间差Δt的关系为

$\mathrm{\Δ}t=\frac{R1\mathrm{\Δ}C}{V}ln\left(\frac{U}{U-{\mathrm{VU}}_C}\right)$

其中，V表示电压分压系数，V的计算公式为R1表示上拉电阻R1的阻值，R2表示对地电阻R2的阻值，U表示所述的上拉电阻R1连接的高电平端的电压值，U_c表示电容C上的电压。