CN109245754A - 一种电容触摸按键侦测电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容触摸按键侦测电路和方法，侦测电路包括触摸按键、多路选择器、高频切换开关、两个基准电容、计数器以及微处理器，其中高频切换开关通过一定的频率将被侦测电容在两个基准电容之间切换，利用电荷转移方法将其中一个基准电容中的电荷转移到另一个基准电容；启动前，其中一个基准电容通过电源充电到一定电位后与电源断开，另外一个基准电容放电到零电位；启动后，通过计数器以及微处理器判断两个基准电容之间的电压差值缩小到一定值后，计算高频开关切换的次数或者时间来判断被侦测电容大小。整个测量过程不受电源纹波影响，测量结果不受施加在被测电容上的高频、低频和脉冲干扰的影响，具有很好的抗干扰能力。

Description

一种电容触摸按键侦测电路和方法

技术领域

本发明涉及一种电子产品的按键侦测电路，更具体地，特别涉及一种电容触摸按键侦测电路和方法。

背景技术

电容式触摸按键是一种常用的非接触式按键，相比于传统的机械按键，具有防水、寿命长、美观、结构简单等优点，被广泛应用于各种电子产品的操作面板中。其实现的基本原理是在产品中设置有一定面积的触摸感应盘，用户手指头靠近时会与其形成一定的电容(大约0.2P-1P)。电容式按键侦测电路则用来检测如此小的电容变化量，从而实现触摸按键的应用。

现有的电容式触摸按键侦测技术主要有两种：

第一种是采用“RC振荡器”的工作原理，实现对人体手指或者触摸笔与感应按键形成的电容变化的侦测。如图1所示为其基本结构，其主要包括充电电阻RA和施密特触发器，以及计数器等逻辑单元。触摸按键感应盘及其走线与周围形成的杂散电容为Cp，电路启动时施密特触发器输出高电平，通过RA给Cp充电。当充电到达施密特触发器的VT+阈值时触发器翻转输出低电平，通过RA给Cp放电。放电电压到触发器的VT-阈值时，触发器再次翻转。于是周而复始形成RC震荡。当RA固定时，其震荡频率与Cp相关。在一定的时间内通过对触发器进行脉冲计数即能反应出Cp大小。若人手指靠近感应电极时会形成电容Cx，并联在Cp两端，使得震荡频率变小。通过计数器数值变化进行判断就能够检测到按键的触摸动作，达到触摸按键侦测的目的。

采用“RC振荡器”原理制作的触摸按键侦测电路，其内部电路结构简单成本低廉。因为Cp以及Cx都非常小，所以RA选择值需要比较大，同时施密特触发器的输入阻抗接近无穷大，因此外界通过射频感应施加在触摸按键电极上的干扰很容易误触发或延后触发施密特触发器，使得计数结果被干扰。虽然现在大家采用了很多复杂的电路变形以及软件技巧，始终无法根本克服射频干扰问题。因此，该方法一般只用在对可靠性要求不高的廉价产品上。

另一种比较常用的采用“电荷转移式”原理来实现触摸按键侦测，如图2所示。其主要包括2个高频切换开关SA和SB，1个基准电容C3、1个比较器和计数器等逻辑单元。基准电容C3一般比较大，到达10nF数量级别。逻辑电路通过高频信号驱动开关SA、SB轮流导通，并开始计数。使得电源通过SA对Cp进行充电，然后Cp通过SB对基准电容C3进行放电。当C3上的电压达到比较器的设定的固定参考值时，停止计数。计数器得到的数值能够直接反应Cp的大小，因此得到侦测电容的目的。此方式中，因为C3电容很大，外界的干扰不会误触发比较器。施加在触摸感应盘上高频干扰，因为其是高频交流信号，在计数周期内，绝大部分频段对Cp产生充电作用和放电作用大概相当，可以抵消。少部分频段则可以通过改变驱动频率配合软件来加以避开。所以此方法具有较好的抗干扰性，得到广泛使用。但其缺点为，若干扰为频率较低且强度大，其周期接近或者大于计数周期时，或者某种突发干扰时(例如静电放电)，此时在整个计数周期内，干扰都给Cp施加单向的充电效应或者放电效应，计数值必然会受到干扰。此时，无论软件怎么处理，都出现按键误判的几率。

综上所述，目前主流的两种电容式按键侦测电路，都存在缺陷。因而迫切需要一种改进的电容式触摸按键侦测电路，用来实现更高可靠性的应用。

发明内容

为了解决以上的问题，本发明提供了一种改进的电容式触摸按键侦测电路，采用“电荷差值比较”的工作方式取代传统电路，本发明也提供了该电容触摸按键的侦测方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种电容触摸按键侦测电路和方法，其中，侦测电路包括触摸按键、多路选择器、高频切换开关、第一基准电容、第二基准电容、计数器和微处理器，

所述触摸按键内有感应电极，感应电极对地面有寄生电容，触摸按键可与人手指头形成感应电容；

所述多路选择器一端连接触摸按键，用于指向外部多个触摸按键，多路选择器可以选择一路工作，也可同时选择多路按键一起工作；

所述高频切换开关的一端连接多路选择器，另一端有两路方向，同时只能有一个方向导通；

所述第一基准电容和第二基准电容分别连接高频切换开关；

所述计数器记录高频切换开关切换次数；

所述微处理器控制高频切换开关方向切换动作，通过识别第一基准电容和第二基准电容之间的电压差值判断按键动作。

进一步地，所述第一基准电容和第二基准电容分别具有充电放电电路,并且其电压被平移后引入计数器再连接到所述微处理器，或者直接通过微处理器进行高速AD采样获取其电压差。

进一步地，所述第一基准电容和第二基准电容采用高精度低温度系数的电容，精度±10％(或者更高),温度系数低(优于+/-15％温度范围-55—125度)，其容量影响按键识别的分辨率，温度系数影响使用环境温度范围。

进一步地，所述计数器采用脉冲计数器。

一种电容触摸按键侦测方法，用于侦测电路，侦测电路包括触摸按键、多路选择器、高频切换开关、第一基准电容、第二基准电容、计数器和微处理器，该侦测方法包括：

当手指头靠近触摸按键时，被侦测电容Cp变大；

启动前，第一基准电容充电到电源电压(或接近电源电压的固定值)，第二基准电容放电到零电位(或接近零电位的固定值)；

启动开始后，高频切换开关将被侦测电容Cp与第一基准电容和第二基准电容轮流连接相同的时间，每次切换的时间周期固定或者按照一定的规律变化，但保证被侦测电容Cp接近充分充放电；

其中，充电周期为第一基准电容对被侦测电容充电，放电周期为被侦测电容对第二基准电容进行放电，期间，计数器记录高频切换开关切换的次数。

进一步地，所述第一基准电容电压不断下降时，而第二基准电容电压不断上升，当两者之间的电压差值由电源电压缩小到预设值时，所述计数器停止计数。

进一步地，被侦测电容Cp越大，则每次充入和放出的电荷越多，第一基准电容和第二基准电容达到预定电压差所需要的次数就越小；被侦测电容Cp越小，则每次充入和放出的电荷越小，第一基准电容和第二基准电容达到预定电压差所需要的次数就越大。

进一步地，使用两个基准电容，利用电荷转移技术，通过判断两个基准电容的电压差达到设定值所需要的转换次数，来实现对被测按键微小电容变化的测量。

进一步地，两个基准电容在进行电荷转移时，电荷从其中一个电容上转移到另外一个电容上。每个高频转换周期内，被侦测电容Cp分别与两个基准电容约相连接二分之一周期的时间。

进一步地，两个基准电容在进行电荷转移时，都与系统电源无连接，被侦测电容Cp在整个过程中也与系统电源无连接。

本发明的优势在于：电路结构相对简单，稳定性好，在整个电荷转移过程中与其他线路没有连接，无论高频还是低频或者冲击信号，都因为系统采用双电容的差值比较法，而不会受到干扰。使用本发明制作的触摸按键产品可用于各种稳定性要求较高的应用，需长时间连续工作并且电磁场干扰大的场合，其成本低实用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是使用“RC振荡器”原理的电容式感应按键电路原理示意图；

图2是一般应用“电容电荷转移”原理的电容式感应按键电路原理示意图；

图3是本发明实施例的电容式感应按键的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，本发明的一种电容触摸按键侦测电路，侦测电路包括触摸按键10、多路选择器20、高频切换开关30、第一基准电容C1、第二基准电容C2、计数器40和微处理器50。

其中，触摸按键10内有感应电极，感应电极对地面有寄生电容，触摸按键10可与人手指头形成感应电容Cx；多路选择器20一端连接触摸按键10，用于指向外部多个触摸按键，多路选择器20可以选择一路工作，也可同时选择多路按键一起工作；高频切换开关30的一端连接多路选择器20，另一端有两路方向，同时只能有一个方向导通；第一基准电容C1和第二基准电容C2分别连接高频切换开关30,两个基准电容其电容值精度和温度特性好，其大小直接影响测量分辨率；计数器40记录高频切换开关30切换次数，计数器采用脉冲计数器；微处理器50控制高频切换开关30方向切换动作，通过识别第一基准电容C1和第二基准电容C2之间的电压差值判断按键动作。

第一基准电容C1和第二基准电容C2分别具有充电放电电路,并且其电压被平移后引入计数器40再连接到微处理器50，或者直接通过微处理器50进行高速AD采样获取其电压差；第一基准电容C1和第二基准电容C2采用高精度低温度系数的电容，精度高±10％(或者更高),温度系数低(优于+/-15％，)温度范围为-55—125度。其容量影响按键识别的分辨率，温度系数影响使用环境温度范围。

感应盘与外壳、感应盘连线则与周边电路形成固有的杂散电容，加在一起统称为Cp。

一种电容触摸按键侦测方法，用于侦测电路，侦测电路包括触摸按键10、多路选择器20、高频切换开关30、第一基准电容C1、第二基准电容C2、计数器40和微处理器50，该侦测方法包括：

S1当手指头靠近触摸按键10时，被侦测电容Cp变大；

S2启动时，第一基准电容C1充电到电源电压(或接近电源电压的固定值)，第二基准电容C2放电到零电位(或接近零电位的固定值)；

S3启动开始后，高频切换开关将被侦测电容Cp与第一基准电容和第二基准电容轮流连接相同的时间，每次切换的时间周期固定或者按照一定的规律变化，并保证被侦测电容Cp接近充分充放电；

其中，充电周期为第一基准电容对被侦测电容充电，放电周期为被侦测电容对第二基准电容进行放电，期间，计数器记录高频切换开关切换的次数。

第一基准电容电压不断下降时，而第二基准电容电压不断上升，当两者之间的电压差值由电源电压缩小到预设值时，所述计数器停止计数。

被侦测电容Cp越大，则每次充入和放出的电荷越多，第一基准电容和第二基准电容达到预定电压差所需要的次数就越小；被侦测电容Cp越小，则每次充入和放出的电荷越小，第一基准电容C1和第二基准电容C2达到预定电压差所需要的次数就越大。

使用两个基准电容，利用电荷转移技术，通过判断两个基准电容的电压差达到设定值所需要的转换次数，来实现对被测按键微小电容变化的测量。

两个基准电容在进行电荷转移时，电荷从其中一个电容上转移到另外一个电容上。每个高频转换周期内，被侦测电容Cp分别与两个基准电容约相连接二分之一周期的时间；两个基准电容在进行电荷转移时，都与系统电源无连接，被侦测电容Cp在整个过程中也与系统电源无连接。

更具体地，微处理器50通过操作将第一基准电容C1完全充电至VCC电压，将第二基准电容C2完全放电至零电位，然后断开充放电电路，将高频切换开关30接通第一基准电容C1，用第一基准电容C1的电荷将感应电极PAD上的寄生电容Cp完全充满，再将高频切换开关330接通第二基准电容C2，用感应电极PAD上的寄生电容Cp中的电荷给第二基准电容C2充电，计数器C记录高频开关动作一次，如此循环，微处理器50识别到第二基准电容C2和第一基准电容C1的电压差值达到预设值时退出电荷转移操作，由于基准电容容值已知，可通过计算求出感应电极PAD上寄生电容Cp的容量。如果人体没有触摸感应电极PAD，Cp容值不会发生变化；反之，当人体触摸感应电极PAD时，相当于并联一个电容Cx到Cp上，微处理器得到电容变化量用来识别按键动作。

进一步地，以上过程可以看出，第一基准电容C1中的电荷转移到第二基准电容C2的过程中，除了感应电极PAD的寄生电容Cp和人体触摸的电容Cx之外，没有其他任何因素参与，整个过程中不会受到干扰。

进一步地，微处理器500通过识别基准电容C1和基准电容C2之间的电压差值判断按键，当感应电极PAD受到外部干扰造成电荷注入系统内部时，因为Cp同C1和C2具有同样的连通时间，并且C1和C2有同样的容量，根据电容公式U＝Q/C，干扰引起的电压变化在C1和C2上一样，于是第一基准电容C1和第二基准电容C2之间的电压差值不变，不受外部干扰影响，利用本发明原理识别感应按键动作可达到长期稳定的效果。

综上所述，本发明的电容式感应按键及其按键侦测方法采用了改进型“电容电荷转移”的工作原理，电路结构简单，可靠性强，抗干扰能力强，达到了长期稳定工作且能正确侦测按键的目的，可以广泛适用于各种电子电器产品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容触摸按键侦测电路，其特征在于:侦测电路包括触摸按键、多路选择器、高频切换开关、第一基准电容、第二基准电容、计数器和微处理器，

所述触摸按键内有感应电极，感应电极对地面有寄生电容，触摸按键可与人手指头形成感应电容；

所述多路选择器一端连接触摸按键，用于指向外部多个触摸按键，多路选择器可以选择一路工作，也可同时选择多路按键一起工作；

所述高频切换开关的一端连接多路选择器，另一端有两路方向，同时只能有一个方向导通；

所述第一基准电容和第二基准电容分别连接高频切换开关；

所述计数器记录高频切换开关切换次数；

所述微处理器控制高频切换开关方向切换动作，通过识别第一基准电容和第二基准电容之间的电压差值判断按键动作。

2.根据权利要求1所述的一种电容触摸按键侦测电路，其特征在于，所述第一基准电容和第二基准电容分别具有充电放电电路,并且其电压被平移后引入计数器再连接到所述微处理器，或者直接通过微处理器进行高速AD采样获取其电压差。

3.根据权利要求1所述的一种电容触摸按键侦测电路，其特征在于，所述第一基准电容和第二基准电容采用高精度低温度系数的电容，精度±10％(或者更高),温度系数低(优于+/-15％温度范围-55—125度)，其容量影响按键识别的分辨率，温度系数影响使用环境温度范围。

4.根据权利要求1所述的一种电容触摸按键侦测电路，其特征在于，所述计数器采用脉冲计数器。

5.一种电容触摸按键侦测方法，用于侦测电路，侦测电路包括触摸按键、多路选择器、高频切换开关、第一基准电容、第二基准电容、计数器和微处理器，其特征在于：该侦测方法包括：

当手指头靠近触摸按键时，被侦测电容Cp变大；

启动前，第一基准电容充电到电源电压(或接近电源电压的固定值)，第二基准电容放电到零电位(或接近零电位的固定值)；

启动开始后，高频切换开关将被侦测电容Cp与第一基准电容和第二基准电容轮流连接相同的时间，每次切换的时间周期固定或者按照一定的规律变化，但保证被侦测电容Cp接近充分充放电；其中，充电周期为第一基准电容对被侦测电容充电，放电周期为被侦测电容对第二基准电容进行放电，期间，计数器记录高频切换开关切换的次数。

6.根据权利要求5所述的一种电容触摸按键侦测方法，其特征在于：所述第一基准电容电压不断下降时，而第二基准电容电压不断上升，当两者之间的电压差值由电源电压缩小到预设值时，所述计数器停止计数。

7.根据权利要求5所述的一种电容触摸按键侦测方法，其特征在于：被侦测电容Cp越大，则每次充入和放出的电荷越多，第一基准电容和第二基准电容达到预定电压差所需要的次数就越小；被侦测电容Cp越小，则每次充入和放出的电荷越小，第一基准电容和第二基准电容达到预定电压差所需要的次数就越大。

8.根据权利要求5所述的一种电容触摸按键侦测方法，其特征在于：使用两个基准电容，利用电荷转移技术，通过判断两个基准电容的电压差达到设定值所需要的转换次数，来实现对被测按键微小电容变化的测量。

9.根据权利要求8所述的一种电容触摸按键侦测方法，其特征在于：两个基准电容在进行电荷转移时，电荷从其中一个电容上转移到另外一个电容上。每个高频转换周期内，被侦测电容Cp分别与两个基准电容约相连接二分之一周期的时间。

10.根据权利要求8所述的一种电容触摸按键侦测方法，其特征在于：两个基准电容在进行电荷转移时，都与系统电源无连接，被侦测电容Cp在整个过程中也与系统电源无连接。