CN109067386B - 电容式触摸开关电路及其开关状态判断方法 - Google Patents

电容式触摸开关电路及其开关状态判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电容式触摸开关电路及其开关状态判断方法，包括微处理器、触摸信号调理电路和电源稳压电路，微处理器和电源稳压电路均与触摸信号调理电路连接；触摸信号调理电路包括电容式触摸开关、运算放大器U1、运算放大器U2、双边开关Y1和双边开关Y2，微处理器输入PWM1方波信号、PWM2方波信号和PWM3方波信号到触摸信号调理电路，微处理器接收触摸信号调理电路输出的电压信号OUT1，微处理器将电压信号OUT1的电压与预先设定的电压阈值进行比较，判断电容式触摸开关当前的开关状态；本发明可以准确判断电容式触摸开关当前的状态，有效地提高了电容式触摸开关的准确性与抗干扰性。

Description

电容式触摸开关电路及其开关状态判断方法
技术领域
本发明涉及一种电器设备的控制开关，具体涉及一种电容式触摸开关电路及其开关状态判断方法。
背景技术
触摸感应的操作面板因为其坚固、耐磨损、可以绝缘、隔尘、隔水，而且外观美观新颖而迅速在很多领域被应用，成为近年的热门技术。现在提供触摸感应芯片和方案的公司较多，很多公司提供的芯片和方案宣传作的很好，东西也较便宜，但产品却只能保证“能动”。在潮湿，强干扰环境下容易发生误动现象。
触摸感应面板目前主流的技术是采用电容感应技术来实现。因为手指在感应盘上带来的电容变化极小，而且随着隔离的绝缘面板厚度增加，电容的大小会成指数降低。大概隔5mm的钢化玻璃后，人的手指触摸只能带来不到0.5PF的电容变化。对于这样微小的测量量，湿度、温度的变化、电磁干扰、电源干扰等都会极大的影响测量电路的测量结果。比如在潮湿带静电较多的环境，如果选择专用芯片，可能会发生误动作，在强电压电磁干扰环境，也可能会发生误动作，所以还是必须选择用微处理器控制方案，施加一定的控制算法，比如需要判断一定时间之内电容变化的速率，稳定性，因此在要求较高的工业应用场合，尤其是铁路上，高可靠性是首位，专用芯片方案有一定的局限性，不能较好地满足需要。目前，电容式开关设计原理通常有三种，分别为比较两路脉冲信号迟滞相位、张弛振荡器、电容的变化转换成电压信号的变化。电容的变化转换成电压信号的变化需要一种巧妙的调理电路，因此触摸信号调理电路便成为研究重点。因此，深入研究电容式触摸开关的开关状态对提高开关的灵敏度、准确性以及其抗干扰性意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种电容式触摸开关电路及其开关状态判断方法，本电容式触摸开关电路及其开关状态判断方法可以准确判断电容式触摸开关当前的状态，有效地提高了电容式触摸开关的准确性与抗干扰性。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种电容式触摸开关电路，包括微处理器、触摸信号调理电路和电源稳压电路，所述微处理器和电源稳压电路均与触摸信号调理电路连接；所述触摸信号调理电路包括电容式触摸开关、运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U2A、双边开关Y1和双边开关Y2，所述电容式触摸开关用于产生寄生电容的两端分别连接有电阻R8的一端和电阻R7的一端，所述电阻R8的另一端连接有电容C5的一端，所述电容C5的另一端连接有运算放大器U1B的引脚6、电容C6的一端和电阻R9的一端，所述电容C6的另一端和电阻R9的另一端与运算放大器U1B的引脚7连接，所述运算放大器U1B的引脚5与运算放大器U1A的引脚1、运算放大器U1A的引脚2和电阻R7的另一端连接，所述运算放大器U1A的引脚4连接地线，所述运算放大器U1A的引脚8分别连接有电源稳压电路、电阻R6的一端和电容C4的一端，所述电阻R6的另一端与运算放大器U1A的引脚3连接，所述运算放大器U1A的引脚3分别连接有电容C3的一端和电阻R5的一端，所述电容C3的另一端分别连接有电容C2的一端、电阻R3的一端和电阻R4的一端，所述电容C4的另一端、电阻R5的另一端、电容C2的另一端和电阻R4的另一端均连接地线，所述电阻R3的另一端与微处理器的输出端连接；所述运算放大器U1B的引脚7连接有电阻R10的一端，所述电阻R10的另一端分别连接有电容C8的一端和电容C7的一端，所述电容C8的另一端均与双边开关Y1的引脚1和双边开关Y2的引脚1连接，所述双边开关Y1的引脚2、双边开关Y1的引脚3、电容C7的一端和双边开关Y2的引脚3均连接地线，双边开关Y1的引脚5和双边开关Y2的引脚5均连接电源VCC，所述双边开关Y1的引脚4和双边开关Y2的引脚4均连接微处理器的输出端，所述双边开关2的引脚2连接有电阻R11的一端，所述电阻R11的另一端分别与运算放大器U2A的引脚3连接，所述运算放大器U2A的引脚3通过电容C1连接地线，所述运算放大器U2A的引脚2分别连接有电阻R1的一端和电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端连接地线，所述电阻R1的另一端与运算放大器U2A的引脚1连接，所述运算放大器U2A的引脚1与微处理器的输入端连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述运算放大器U1A和运算放大器U1B均采用TLC072，所述运算放大器U2A采用MCP6002，所述双边开关Y1和双边开关Y2均采用TC4S66F，所述电源VCC为5V。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述电源稳压电路采用稳压芯片LM2596HV和稳压芯片7809，所述稳压芯片LM2596HV用于将24V电源转换为12V电源，所述稳压芯片7809用于将12V电源转换为9V电源，并将9V电源发送到运算放大器U1A的引脚8。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述微处理器采用STM32F103微处理器。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种电容式触摸开关电路的开关状态判断方法，包括以下步骤：
(1)通过电源稳压电路为运算放大器U1A提供9V电源；
(2)通过微处理器输入PWM1方波信号到电阻R3的一端；
(3)通过微处理器输入PWM2方波信号到双边开关Y1的4号引脚处；
(4)通过微处理器输入PWM3方波信号到双边开关Y2的4号引脚处；
(5)微处理器接收运算放大器U2A的引脚1输出的电压信号OUT1，微处理器通过采集电压信号OUT1的电压并进行A/D转化，与预先设定的电压阈值进行比较，从而判断电容式触摸开关当前的开关状态。
作为本发明进一步改进的技术方案，包括以下步骤：
(1)通过电源稳压电路为运算放大器U1A提供9V电源；
(2)通过微处理器输入周期为4us、脉宽为2us的PWM1方波信号到电阻R3的一端；
(3)通过微处理器输入周期为4us、脉宽为1us的PWM2方波信号到双边开关Y1的4号引脚处，且所产生的PWM2信号的脉宽在交流信号的负半周期里；
(4)通过微处理器输入周期为4us、脉宽为1us的PWM3方波信号到双边开关Y2的4号引脚处，且所产生的PWM3信号比PWM2信号相位滞后90°；
(5)微处理器接收运算放大器U2A的引脚1输出的电压信号OUT1，微处理器通过采集电压信号OUT1的电压并进行A/D转化，与预先设定的电压阈值进行比较，从而判断电容式触摸开关当前的开关状态。
本发明的有益效果为：本发明通过将电容式触摸开关电容的变化转换成电压信号的变化，来判断当前的开关状态。通过微处理器控制，在触摸信号调理电路中进行巧妙的设计，可以有效地改善了电容式触摸开关的准确性与抗干扰性。可以应对各种复杂的环境，譬如湿度、温度的变化、电磁干扰、电源干扰等等。此电容式触摸开关电路的准确性和抗干扰性加上触摸感应操作面板的精致美观必将快速取代以前的老式的机械开关，成为接下来人们生活中的主流开关。
附图说明
图1为本实施例的触摸信号调理电路的电路原理示意图。
图2为本实施例的电源稳压电路提供9V电源的电路原理示意图。
图3是本实施例的U1B的7号引脚触摸前的波形图。
图4是本实施例的U1B的7号引脚触摸后的波形图。
图5是本实施例的双边开关Y1的1号引脚、4号引脚的波形图。
图6是本实施例的双边开关Y2的1号引脚、4号引脚的波形图。
图7是本实施例的运算放大器U2A的OUT1输出端触摸前的波形图。
图8是本实施例的运算放大器U2A的OUT1输出端触摸后的波形图。
具体实施方式
下面根据图1至图8对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
本实施例提供一种电容式触摸开关电路，包括微处理器、触摸信号调理电路和电源稳压电路，所述微处理器和电源稳压电路均与触摸信号调理电路连接；所述触摸信号调理电路主要由稳压电路、运算放大器、电压跟随器、高通滤波、低通滤波、双边开关等器件构成。
具体地，参见图1，所述触摸信号调理电路包括电容式触摸开关、运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U2A、双边开关Y1和双边开关Y2，所述电容式触摸开关用于产生寄生电容的两端(即图1中的TOP和BUTTOM)分别连接有电阻R8的一端和电阻R7的一端，所述电阻R8的另一端连接有电容C5的一端，所述电容C5的另一端连接有运算放大器U1B的引脚6、电容C6的一端和电阻R9的一端，所述电容C6的另一端和电阻R9的另一端与运算放大器U1B的引脚7连接，所述运算放大器U1B的引脚5与运算放大器U1A的引脚1、运算放大器U1A的引脚2和电阻R7的另一端连接，所述运算放大器U1A的引脚4连接地线，所述运算放大器U1A的引脚8分别连接有电源稳压电路、电阻R6的一端和电容C4的一端，所述电阻R6的另一端与运算放大器U1A的引脚3连接，所述运算放大器U1A的引脚3分别连接有电容C3的一端和电阻R5的一端，所述电容C3的另一端分别连接有电容C2的一端、电阻R3的一端和电阻R4的一端，所述电容C4的另一端、电阻R5的另一端、电容C2的另一端和电阻R4的另一端均连接地线，所述电阻R3的另一端与微处理器的输出端连接；所述运算放大器U1B的引脚7连接有电阻R10的一端，所述电阻R10的另一端分别连接有电容C8的一端和电容C7的一端，所述电容C8的另一端均与双边开关Y1的引脚1和双边开关Y2的引脚1连接，所述双边开关Y1的引脚2、双边开关Y1的引脚3、电容C7的一端和双边开关Y2的引脚3均连接地线，双边开关Y1的引脚5和双边开关Y2的引脚5均连接电源VCC，所述电源VCC为5V，所述双边开关Y1的引脚4和双边开关Y2的引脚4均连接微处理器的输出端，所述双边开关2的引脚2连接有电阻R11的一端，所述电阻R11的另一端分别与运算放大器U2A的引脚3连接，所述运算放大器U2A的引脚3通过电容C1连接地线，所述运算放大器U2A的引脚2分别连接有电阻R1的一端和电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端连接地线，所述电阻R1的另一端与运算放大器U2A的引脚1连接，所述运算放大器U2A的引脚1与微处理器的输入端连接。所述的触摸信号调理电路中的带通滤波器由C5、C6、R8和R9组成带通滤波器。其中高通滤波器C5与R9组成，低通滤波器由C6与R8组成，由C6设计为10pf，从而可以使得高频信号通过，低频信号保留。
所述运算放大器U1采用TLC072。TLC072为高频带、高输出、单电源运算放大器。双通道中一个通道作为电压跟随器，另一个工作在放大状态。图1中U1A和U1B均表示运算放大器U1。
所述运算放大器U2采用MCP6002，将所要输出的电压信号进行放大后输出。图1中U2A表示运算放大器U2。
所述双边开关Y1和双边开关Y2均采用TC4S66F，初始状态为常开，实现导通与关断的作用。
参见图2，所述电源稳压电路采用稳压芯片LM2596HV和稳压芯片7809，所述稳压芯片LM2596HV用于将24V电源转换为12V电源，所述稳压芯片7809用于将12V电源转换为9V电源，并将9V电源发送到运算放大器U1A的引脚8。
所述微处理器采用STM32F103微处理器。可实现逻辑控制、PWM信号输出和电压采集、A/D转化。微处理器通过外部电源进行供电。
本实施例还提供一种电容式触摸开关电路的开关状态判断方法，包括以下步骤：
(1)通过电源稳压电路为运算放大器U1A提供9V电源；
(2)通过微处理器输入周期为4us、脉宽为2us的PWM1方波信号到电阻R3的一端；
(3)通过微处理器输入周期为4us、脉宽为1us的PWM2方波信号到双边开关Y1的4号引脚处，且所产生的PWM2信号的脉宽在交流信号的负半周期里；
(4)通过微处理器输入周期为4us、脉宽为1us的PWM3方波信号到双边开关Y2的4号引脚处，且所产生的PWM3信号比PWM2信号相位滞后90°；
(5)微处理器接收运算放大器U2A的引脚1输出的电压信号OUT1，微处理器通过采集电压信号OUT1的电压并进行A/D转化，与预先设定的电压阈值进行比较，从而判断电容式触摸开关当前的开关状态。
本实施例的工作原理如下：初始状态，当电源24V可以正常工作时，LM2596HV将24V转化为12V，7809将12V转化为9V。9V作为单极性电源供电运算放大器U1A的电源。通过微处理器在PWM1端口输入周期为4us、脉宽为2us的PWM1方波，通过R3、C2进行充放电，C2两端的电压由R3、R4分压得到，C2与R3之间的信号的交流部分通过隔直电容C3后与7809输出的9V电压经过相同阻值的R5、R6分压后所得的电压4.5V进行叠加，将叠加后的信号输入到U1A的3号引脚，由于U1A为单极性电源供电，直流信号不变，交流信号会被整体抬高，U1A作为电压跟随器，因此U1A的2号引脚与3号引脚的直流信号相等，交流部分被整体抬高。在U1B的6、7引脚之间并联C6与R9，C6与R8组成低通滤波器，C5与R9组成高通滤波器，因此由C5、C6、R8和R9组成带通滤波器，在设计C6时，由于容值比较小的电容可以通高频、阻低频的特性，因此C6设计为10pf，从而可以使得高频信号通过，低频信号保留，使得U1B的6号引脚的信号变得较为平滑，U1B的7号引脚的信号变得较为陡峭。因此当手一旦触摸到电容式触摸开关的表面面板时，表面面板之间的电容的大小就会发生改变，表面面板对地则会产生寄生电容，此时U1B工作在放大状态，图3是U1B的7号引脚手触摸前的波形图，图4是U1B的7号引脚触摸后的波形图；将放大的信号经过R10、C7进行低通滤波，并将滤波后的信号经过隔直电容C8，则交流信号可以通过，滤除了直流成分信号。此时，通过微处理器产生周期为4us的，脉宽为1us的PWM2方波信号，接入双边开关Y1的4号引脚PWM2处，需要注意的是所产生的PWM2的脉宽需在交流信号的负半周期里，图5是双边开关Y1的1号引脚、4号引脚的波形图，图5中位于上方的波形1为双边开关Y1的1号引脚的波形图，图5中位于下方的波形2为双边开关Y1的4号引脚的波形图，图5中CH12.00V表示波形1，CH22.00V表示波形2。当双边开关输入端为高时，则1号引脚与2号引脚导通。因此当输入的脉冲为高时，双边开关Y1导通，对C8进行充电，电压升高。由于电容的特性，当双边开关Y1截止时，C8的电压并不能突变。在双边开关Y2的4号引脚输入与PWM2方波信号的脉冲相同的PWM3方波信号，周期为4us的，脉宽为1us，只是相位滞后90°；图6是双边开关Y2的1号引脚、4号引脚的波形图，图6中位于上方的波形1为双边开关Y2的1号引脚的波形图，图6中位于下方的波形2为双边开关Y2的4号引脚的波形图，图6中CH12.00V表示波形1，CH22.00V表示波形2。则双边开关Y2的2号引脚的信号为双边开关Y2的1号引脚的中间部分。当双边开关Y2的4号引脚为高电平时，双边开关Y2闭合，双边开关Y2的1号引脚与Y2的2号引脚信号相同，此信号经过R11、C9进行滤波，并在C9处形成直流电压。通过运算放大器U2A将信号放大，输出电压信号OUT1；图7是运算放大器U2A的OUT1输出端手触摸前的波形图；图8是运算放大器U2A的OUT1输出端手触摸后的波形图，从图中可知，电压信号OUT1被放大。微处理器通过采集OUT1的电压进行A/D转化，与设定的电压阈值进行比较，从而就可以准确的判断当前的开关状态。实验测得，当手未按下电容式触摸开关时，输出电压约为1.0V，当手按下电容式触摸开关时，输出电压约为2.4V。
本发明通过将电容式触摸开关的电容的变化转换成电压信号的变化，来判断当前的开关状态。通过微处理器控制，在触摸信号调理电路中进行巧妙的设计，可以有效地改善了电容式触摸开关的准确性与抗干扰性。可以应对各种复杂的环境，譬如湿度、温度的变化、电磁干扰、电源干扰等等。此电容式触摸开关的准确性和抗干扰性加上触摸感应操作面板的精致美观必将快速取代以前的老式的机械开关，成为接下来人们生活中的主流开关。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电容式触摸开关电路，其特征在于：包括微处理器、触摸信号调理电路和电源稳压电路，所述微处理器和电源稳压电路均与触摸信号调理电路连接；
所述触摸信号调理电路包括电容式触摸开关、运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U2A、双边开关Y1和双边开关Y2，所述电容式触摸开关用于产生寄生电容的两端分别连接有电阻R8的一端和电阻R7的一端，所述电阻R8的另一端连接有电容C5的一端，所述电容C5的另一端连接有运算放大器U1B的引脚6、电容C6的一端和电阻R9的一端，所述电容C6的另一端和电阻R9的另一端与运算放大器U1B的引脚7连接，所述运算放大器U1B的引脚5与运算放大器U1A的引脚1、运算放大器U1A的引脚2和电阻R7的另一端连接，所述运算放大器U1A的引脚4连接地线，所述运算放大器U1A的引脚8分别连接有电源稳压电路、电阻R6的一端和电容C4的一端，所述电阻R6的另一端与运算放大器U1A的引脚3连接，所述运算放大器U1A的引脚3分别连接有电容C3的一端和电阻R5的一端，所述电容C3的另一端分别连接有电容C2的一端、电阻R3的一端和电阻R4的一端，所述电容C4的另一端、电阻R5的另一端、电容C2的另一端和电阻R4的另一端均连接地线，所述电阻R3的另一端与微处理器的输出端连接；所述运算放大器U1B的引脚7连接有电阻R10的一端，所述电阻R10的另一端分别连接有电容C8的一端和电容C7的一端，所述电容C8的另一端均与双边开关Y1的引脚1和双边开关Y2的引脚1连接，所述双边开关Y1的引脚2、双边开关Y1的引脚3、电容C7的一端和双边开关Y2的引脚3均连接地线，双边开关Y1的引脚5和双边开关Y2的引脚5均连接电源VCC，所述双边开关Y1的引脚4和双边开关Y2的引脚4均连接微处理器的输出端，所述双边开关2的引脚2连接有电阻R11的一端，所述电阻R11的另一端分别与运算放大器U2A的引脚3连接，所述运算放大器U2A的引脚3通过电容C1连接地线，所述运算放大器U2A的引脚2分别连接有电阻R1的一端和电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端连接地线，所述电阻R1的另一端与运算放大器U2A的引脚1连接，所述运算放大器U2A的引脚1与微处理器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的电容式触摸开关电路，其特征在于：所述运算放大器U1A和运算放大器U1B均采用TLC072，所述运算放大器U2A采用MCP6002，所述双边开关Y1和双边开关Y2均采用TC4S66F，所述电源VCC为5V。
3.根据权利要求2所述的电容式触摸开关电路，其特征在于：所述电源稳压电路采用稳压芯片LM2596HV和稳压芯片7809，所述稳压芯片LM2596HV用于将24V电源转换为12V电源，所述稳压芯片7809用于将12V电源转换为9V电源，并将9V电源发送到运算放大器U1A的引脚8。
4.根据权利要求3所述的电容式触摸开关电路，其特征在于：所述微处理器采用STM32F103微处理器。
5.一种根据权利要求1所述的电容式触摸开关电路的开关状态判断方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)通过电源稳压电路为运算放大器U1A提供9V电源；
(2)通过微处理器输入PWM1方波信号到电阻R3的一端；
(3)通过微处理器输入PWM2方波信号到双边开关Y1的4号引脚处；
(4)通过微处理器输入PWM3方波信号到双边开关Y2的4号引脚处；
(5)微处理器接收运算放大器U2A的引脚1输出的电压信号OUT1，微处理器通过采集电压信号OUT1的电压并进行A/D转化，与预先设定的电压阈值进行比较，从而判断电容式触摸开关当前的开关状态。
6.根据权利要求5所述的电容式触摸开关电路的开关状态判断方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)通过电源稳压电路为运算放大器U1A提供9V电源；
(2)通过微处理器输入周期为4us、脉宽为2us的PWM1方波信号到电阻R3的一端；
(3)通过微处理器输入周期为4us、脉宽为1us的PWM2方波信号到双边开关Y1的4号引脚处，且所产生的PWM2信号的脉宽在交流信号的负半周期里；
(4)通过微处理器输入周期为4us、脉宽为1us的PWM3方波信号到双边开关Y2的4号引脚处，且所产生的PWM3信号比PWM2信号相位滞后90°；
(5)微处理器接收运算放大器U2A的引脚1输出的电压信号OUT1，微处理器通过采集电压信号OUT1的电压并进行A/D转化，与预先设定的电压阈值进行比较，从而判断电容式触摸开关当前的开关状态。
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