CN112511151A - 一种新电容式检测压力及触摸方法及电路 - Google Patents

一种新电容式检测压力及触摸方法及电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新电容式检测压力及触摸方法及电路，包括主控MCU和两块金属片构成电容的两个电极，并且在两块金属片之间填充介质，主控MCU包括GPIO输入端和GPIO输出端，GPIO输入端与电容的第一电极连接，GPIO输出端与电容的第二电极连接，其输入电平比较器的VIH阈值电平或VIL阈值电平作为选定t时刻的Vc(t)值；开启主控MCU的定时计数器计数功能以及外部输入触发中断功能；外部输入中断触发时，读取定时计数器当中的计数值，该计数值反映当前检测的电容数值大小；主控MCU检测电容数值发生变化，即可判断是压力变大还是变小以及否有触摸。不仅达到了检测压力大小变化，以及触摸按键按下抬起效果有效且稳定的目的，而且方案成本低、压力传感器工厂易生产。

Description

一种新电容式检测压力及触摸方法及电路
技术领域
本发明涉及显示触控的检测技术领域，特别是涉及一种新电容式检测压力及触摸方法及电路。
背景技术
随着显示触控技术的不断发展，以及人们生活品质要求的不断提高，压力及触摸技术在应用上已经越来越广泛。例如，智能手机上的触摸屏，热水器、微波炉、电饭煲上的触摸按键等，几乎可以说无“触”不在。
压力及触摸方案在实现和生产的需求量非常大。目前市面上普遍存在的压力及触摸方案的设计比较复杂，大多是通过生产压力传感器，使用专用IC芯片的ADC检测传感器端的电压(或电流)值大小的变化来实现。加之市场上大多数压力传感器属于电流式，其物理结构多采用网格式节点检测，最后综合计算得到压力值。加之该类的压力传感器在生产制造工艺中的要求高，方案成本高，生产设备复杂且精密，生产后的压力传感器价格昂贵，还需要带有ADC转换功能的专用主控MCU进行检测。
因此，亟需提供一种新电容式检测压力及触摸方法及电路方案以解决现有技术问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种新电容式检测压力及触摸方法及电路，该技术方案无论是检测电路设计，还是功能实现都相对简单，不需要带有ADC转换功能的专用MCU实现检测，任一通用的MCU具有GPIO(General-purpose input/output)输入输出功能，定时器计数以及外部中断触发功能都可实现检测，不仅达到了检测压力大小变化，以及触摸按键按下抬起效果有效且稳定的目的，而且其具备方案成本低、压力传感器工厂易生产等特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种新电容式检测压力及触摸电路，包括主控MCU和两块金属片构成电容的两个电极，并且在两块所述金属片之间填充介质，所述主控MCU包括GPIO输入端和GPIO输出端，所述GPIO输入端与所述电容的第一电极连接，所述GPIO输出端与所述电容的第二电极连接。
优选地，所述主控MCU为通用具有GPIO输入输出功能和外部输入触发中断功能，其内置输入电平比较器和定时计数器。
优选地，所述输入电平比较器包括两个门限阈值，分别是VIH阈值电平和VIL阈值电平。
一种新电容式检测压力及触摸方法，包括如下步骤：
步骤S1，输入电平比较器的VIH阈值电平或VIL阈值电平作为选定t时刻的Vc(t)值；步骤S2，开启主控MCU的定时计数器计数功能以及外部输入触发中断功能；步骤S3，外部输入中断触发时，读取定时计数器当中的计数值，该计数值反映当前检测的电容数值大小；及步骤S4，主控MCU检测电容数值发生变化，根据电容数值的变化即可判断是压力变大还是变小以及否有触摸。
优选地，检测电容容值变化包括充电检测方式和放电检测方式两种。
优选地，充电时的步骤S2包括以下步骤：步骤S21a，主控MCU检测某时刻t电容的电容值时，将GPIO输出端拉低足够时间，使电容放电充分，此时电容与GPIO输入端连接的电压值Vc(t)为零；步骤S22a，主控MCU将GPIO输出端拉高,同时在拉高的时刻将定时计数器清零；及步骤S23a，电容连接的GPIO输入端电压值Vc(t)变高，电容处于充电状态。。
优选地，步骤S23a之后的步骤S3包括以下步骤：步骤S31a，当GPIO输入端电压值Vc(t)达到VIH阈值电平，触发上升沿中断，主控MCU进入中断服务函数；及步骤S32a，主控MCU读取定时计数器的计数值，得到检测的电容数值大小。
优选地，放电时的步骤S2包括以下步骤:步骤S21b，主控MCU的GPIO输出端拉高足够时间，使电容充电充分，此时电容两端的电压值达到最大充电电压值E；步骤S22b，主控MCU将GPIO输出端拉低，同时在拉低的时刻将定时计数器清零；及步骤S23b，电容连接的GPIO输入端电压值Vc(t)会变低，电容处于放电状态。
优选地，步骤S23b之后的步骤S3包括以下步骤：步骤S31b，当GPIO输入端电压值Vc(t)下降到VIL阈值电平，触发下降沿中断，主控MCU进入中断服务函数；及步骤S32b，主控MCU读取定时计数器的计数值，得到检测的电容数值大小。
优选地，：当主控MCU输出高电平能力差或者内部无等效电阻，所述GPIO输出端与电容的第二电极之间进一步设置一电阻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一种新电容式检测压力及触摸方法及电路，该技术方案无论是检测电路设计，还是功能实现都相对简单，不需要带有ADC转换功能的专用MCU实现检测，任一通用的MCU具有GPIO输入输出功能，定时器计数以及外部中断触发功能都可实现检测，不仅达到了检测压力大小变化，以及触摸按键按下抬起效果有效且稳定的目的，而且其具备方案成本低、压力传感器工厂易生产等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明新电容式检测压力及触摸电路的示意图；
图2是本发明基于图1的电路结构示意图；
图3是本发明的新电容式检测压力及触摸方法流程图；
图4是本发明基于图3在充电检测下步骤S2进一步流程示意图；
图5是本发明基于图3在充电检测下步骤S3进一步流程示意图；
图6是本发明基于图3在放电检测下步骤S2进一步流程示意图；
图7是本发明基于图3在放电检测下步骤S3进一步流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的“上”“下”“左”“右”“前”“后”“侧”等方位词是针对提供的附图作相对的位置说明，并不是用于描述实际产品特定顺序。
请参阅图1，本发明实施例提供一种新电容式检测压力及触摸电路，其包括主控MCU和两块金属片构成电容的两个电极，并且在两块金属片之间填充介质，主控MCU包括GPIO输入端和GPIO输出端，GPIO输入端与电容的第一电极连接，GPIO输出端与电容的第二电极连接。
进一步地，如果采用的主控MCU输出高电平能力差或者内部无等效电阻，在GPIO输出端与电容的第二电极之间可设置一电阻，如图2所示，有利于获取输出高电平。
本发明电路中，电容充电的曲线公式为：
Vc(t)＝V0+(Vu-V0)*[1-exp(-t/RC)]；①
可推出充电时间值公式：
t＝RC×Ln[(Vu-V0)/(Vu-Vc(t))]；②
电容放电曲线公式：
Vc(t)＝V0×exp(-t/RC)；③
可推出放电时间值公式：
t＝RC×Ln[V0/(V0-Vc(t))]；④
其中，上述V0为电容上的初始电压值，Vu为电容充满电的电压值；Vc(t)为电容任意时刻t上的电压值。
因此，根据上述公式可知，在Vc(t)选定为固定值的情况下，充电时间t跟电容的容值大小成正比，电容的容值越大，则电容从电压0到电压Vc(t)所需的时间越长；同理，放电时间t跟电容的容值大小成正比。
本发明采用任意通用具有GPIO输入输出功能的主控MCU，其内置输入电平比较器，用于比较和判断输入电平是高电平还是低电平。该输入电平比较器包括两个门限阈值，分别是VIH阈值电平和VIL阈值电平，一旦主控MCU选型确定，以及工作电压选定，其充电方式下的VIH阈值电平和放电方式下的VIL阈值电平都为固定值。具体地，在电容处于充电方式状态下，该输入电平比较器检测到输入电平后，当输入电平高于VIH阈值电平时，则判断输入电平为高电平；在电容处于放电方式状态下，该比较器检测到输入电平后，当输入电平低于VIL阈值电平时，则判断输入电平为低电平。
为了描述更加清楚，本发明根据上述电路提供一种方法，使用输入电平比较器的VIH阈值电平或VIL阈值电平作为选定t时刻的Vc(t)值，开启主控MCU的定时计数器计数功能以及外部输入触发中断功能。当外部输入中断触发时，例如电容充电设为上升沿中断或电容放电设为下降沿中断，读取定时计数器当中的计数值，该计数值反映当前检测的电容数值大小，计数值越大则表示检测到的电容值越大，反之检测到电容值越小。例如，当有手指触摸按键按下时以影响电容介电常数，或有压力变化时以影响电容两极正对面积，再结合电容计算公式：
C＝εS/4πkd；⑤
因此，通过上述检测方法及电路可检测电容数值发生变化，根据电容数值的变化即可判断是压力变大还是变小以及否有触摸。此时，该电容的作用等效于压力传感器。
针对上述电路及方法，本发明以充电时检测电容数值变化为例进一步阐述实现原理。当主控MCU检测某时刻t电容的电容值时，也就是等效于压力传感器的压力值，主控MCU先将GPIO输出端拉低足够时间，使电容放电充分，即拉低足够时间后，此时刻的电容与GPIO输入端连接的电压值Vc(t)为零。接着主控MCU将GPIO输出端拉高,同时在拉高的时刻将定时计数器清零，例如定时计数器可设置为增长计数。随着电容连接的GPIO输入端电压值Vc(t)变高，也就是电容已经处于充电状态，当GPIO输入端电压值Vc(t)达到VIH阈值电平时，就会触发上升沿中断，此时主控MCU进入中断服务函数，主控MCU读取定时计数器的计数值，得到检测的电容数值大小，此电容值大小即为压力传感器在此时刻的压力值大小，主控MCU根据此压力值大小的变化得知压力传感器上的压力变化。
同理放电时，主控MCU的外部输入中断触发设为下降沿触发，先将主控MCU的GPIO输出端拉高足够时间，使电容充电充分，即拉高充电充分后，此时刻电容两端的电压值达到最大充电电压值E，接着主控MCU将GPIO输出端拉低，同时在拉低的时刻将定时计数器清零，例如定时计数器可设置为增长计数。随着电容连接的GPIO输入端电压值Vc(t)会变低，也就是电容已经处于放电状态，当GPIO输入端电压值Vc(t)下降到VIL阈值电平时，就会触发下降沿中断，此时主控MCU进入中断服务函数，主控MCU读取定时计数器的计数值，得到检测的电容数值大小，此电容值大小即为压力传感器在此时刻的压力值大小，主控MCU根据此压力值大小的变化得知压力传感器上的压力的变化。
此外，若压力传感器的两极距离不变，选用适当的金属片当电容的两个电极，以及介电常数合适的电容介质，随着手指的靠近，电容总的介电常数会发生改变，即最终改变压力传感器的电容值，主控MCU可根据手指靠近与远离压力传感器的电容值变化，检测到手指触摸按键是按下还是抬起。
综上所述，本发明不仅达到了检测压力大小变化，以及触摸按键按下抬起效果有效且稳定的目的，而且其具备方案成本低、压力传感器工厂易生产等特点。
以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种新电容式检测压力及触摸电路，其特征在于：包括主控MCU和两块金属片构成电容的两个电极，并且在两块所述金属片之间填充介质，所述主控MCU包括GPIO输入端和GPIO输出端，所述GPIO输入端与所述电容的第一电极连接，所述GPIO输出端与所述电容的第二电极连接。
2.根据权利要求1所述的新电容式检测压力及触摸方法及电路，其特征在于：所述主控MCU为通用具有GPIO输入输出功能和外部输入触发中断功能，其内置输入电平比较器和定时计数器。
3.根据权利要求2所述的新电容式检测压力及触摸方法及电路，其特征在于：所述输入电平比较器包括两个门限阈值，分别是VIH阈值电平和VIL阈值电平。
4.一种新电容式检测压力及触摸方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1，输入电平比较器的VIH阈值电平或VIL阈值电平作为选定t时刻的Vc(t)值；
步骤S2，开启主控MCU的定时计数器计数功能以及外部输入触发中断功能；
步骤S3，外部输入中断触发时，读取定时计数器当中的计数值，该计数值反映当前检测的电容数值大小；及
步骤S4，主控MCU检测电容数值发生变化，根据电容数值的变化即可判断是压力变大还是变小以及否有触摸。
5.根据权利要求4所述的新电容式检测压力及触摸方法，其特征在于：检测电容容值变化包括充电检测方式和放电检测方式两种。
6.根据权利要求4-5中任一项所述的新电容式检测压力及触摸方法，其特征在于：充电时的步骤S2包括以下步骤：
步骤S21a，主控MCU检测某时刻t电容的电容值时，将GPIO输出端拉低足够时间，使电容放电充分，此时电容与GPIO输入端连接的电压值Vc(t)为零；
步骤S22a，主控MCU将GPIO输出端拉高,同时在拉高的时刻将定时计数器清零；及
步骤S23a，电容连接的GPIO输入端电压值Vc(t)变高，电容处于充电状态。
7.根据权利要求6所述的新电容式检测压力及触摸方法，其特征在于：步骤S23a之后的步骤S3包括以下步骤：
步骤S31a，当GPIO输入端电压值Vc(t)达到VIH阈值电平，触发上升沿中断，主控MCU进入中断服务函数；及
步骤S32a，主控MCU读取定时计数器的计数值，得到检测的电容数值大小。
8.根据权利要求4-5中任一项所述的新电容式检测压力及触摸方法，其特征在于：放电时的步骤S2包括以下步骤:
步骤S21b，主控MCU的GPIO输出端拉高足够时间，使电容充电充分，此时电容两端的电压值达到最大充电电压值E；
步骤S22b，主控MCU将GPIO输出端拉低，同时在拉低的时刻将定时计数器清零；及
步骤S23b，电容连接的GPIO输入端电压值Vc(t)会变低，电容处于放电状态。
9.根据权利要求8所述的新电容式检测压力及触摸方法，其特征在于：步骤S23b之后的步骤S3包括以下步骤：
步骤S31b，当GPIO输入端电压值Vc(t)下降到VIL阈值电平，触发下降沿中断，主控MCU进入中断服务函数；及
步骤S32b，主控MCU读取定时计数器的计数值，得到检测的电容数值大小。
10.根据权利要求1所述的新电容式检测压力及触摸方法，其特征在于：当主控MCU输出高电平能力差或者内部无等效电阻，所述GPIO输出端与电容的第二电极之间进一步设置一电阻。
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