CN116203411A - 一种应用于mcu中触摸按键电容检测方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法及其系统，包括充电模块、放电模块和检测模块；所述充电模块采用时钟信号控制各开关状态的方式，将电源端与按键电容之间开关闭合，电源端对按键电容进行充电，充电完成后断开，再将按键电容与采样电容之间开关闭合，在电势差的作用下，按键电容对采样电容进行充电，从而提高采样电容的电压；所述放电模块是通过迟滞比较器控制开关状态的方式，将采样电容与限流电阻之间开关闭合，采样电容通过限流电阻对地放电，从而降低采样电容的电压；所述检测模块采用压控振荡器与计数器结合的方式完成对采样电容的电压变化检测，根据计数器输出数据来判断电容式触摸感应按键开关是否被触发。

Description

一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法及其系统

技术领域

本发明涉及触摸按键技术领域，具体为一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法及其系统。

背景技术

现代电子产品中，触摸感应技术日益受到更多关注，因电容式触摸按键在使用寿命、外观和稳定性等诸多方面相较于传统的机械按键更具优势，得到更广泛的应用。

随着触感应技术的发展，不断有新的技术和IC相继问世，但主流的按键电容检测方法通常采用电荷迁移的方式实现。其工作原理大致为：对容值较小的触摸按键感应电容反复充放电并将电荷转移到更大的外置电容上，此过程中对其电荷转换时开关的次数进行计数，根据其计数到的次数变化判定按键是否按下。上述传统电容式触摸按键检测技术中，以充电次数判定是否有按键按下存在以下几点缺陷：

1.需要外接电容器，通常大于1uF，带来的问题是增加了应用成本；

2.MCU芯片将多出一个IO放置外部电容，降低了IO接口的使用率；

3.比较器的性能会直接影响检测结果的可靠性；

4.在电荷转移的过程中，采用较大容值的电容器会增加检测时间，制约了检测的速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法及其系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：开关S1闭合，开关S1b断开，电源端VDD对按键电容Ct进行充电；

步骤2：开关S1断开，开关S1b闭合，按键电容Ct给采样电容Cs进行充电，采样电容的电压VCs升高；

步骤3：当采样电容Cs上的电压充电到高于迟滞比较器的基准电压Vref时，迟滞比较器输出信号将开关S2闭合，采样电容Cs开始对地放电，采样电容的电压VCs降低；

步骤4：待采样电容的电压VCs放电到低于迟滞比较器的阈值电压时，迟滞比较器输出信号将开关S2断开，采样电容Cs停止对地放电，回到步骤1和步骤2；

步骤5：重复步骤1、步骤2、步骤3和步骤4，使得采样电容Cs的电压VCs最终稳定在设置的区间内；

步骤6：采样电容Cs的电压VCs送入压控振荡器VCO，压控振荡器VCO输出信号频率随着采样电容Cs的电压VCs的变化而变化，压控振荡器VCO输出时钟信号，通过计数器对其进行计数；

步骤7：当按键按下时，人体触摸按键产生感应电容Cp，感应电容Cp与按键电容Ct为并联关系，节点等效电容X1增大，在每次开关周期向采样电容Cs灌入的电荷量增加，最终会使采样电容Cs的电压VCs稳定时的平均电压值升高，压控振荡器VCO输出信号频率增加，以计数器结果变化作为检测标准。

图1为本发明的检测电路示意图，共有三个开关：开关S1、开关S1b、开关S2；三个电容：感应电容、按键电容、采样电容；以及电源、迟滞比较器、压控振荡器、计数器等元器件。所述开关S1和所述开关S1b的控制信号由MCU内部时钟来提供，时钟是单片机运行的基础，时钟信号推动单片机内各个部分执行相应的指令。开关S1与开关S1b为互反的信号，当开关S1闭合时，开关S1b断开，电源端VDD与按键电容Ct连接，电源中的正负电荷在电势差的作用下移动到按键电容的正极和负极中。由于电容两极之间绝缘，所以正负电荷无法抵消，正负电荷大量聚集在电容两极，所产生的电场力又约束了电容两端聚集的电荷，所以电容两端会保留一定的电荷。当开关S1断开时，开关S1b闭合，按键电容Ct与采样电容Cs连接，在电势差的作用下，按键电容两端保留的电荷会移动到电压更低的采样电容中，提高采样电容的电压，完成充电过程。

通过上述技术方案，采用不同开关的闭合或断开方式，完成电荷从电源转移到采样电容中的过程，实现对采样电容的充电。

所述开关S2连接限流电阻Rs与迟滞比较器，迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器，又可理解为加正反馈的单限比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的，它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。当采样电容Cs上的电压处于迟滞电压区间时，迟滞比较器输出信号不对开关S2做任何操作；当采样电容Cs上的电压高于基准电压Vref时，迟滞比较器输出信号控制开关S2闭合，采样电容Cs通过限流电阻Rs接地放电；当采样电容Cs上的电压低于阈值电压时，迟滞比较器输出信号控制开关S2断开，采样电容Cs停止接地放电；限流电阻能够很好的对电流进行限制，避免放电电流过大，影响检测的精度。

通过上述技术方案，采用迟滞比较器控制开关S2的方式来限制采样电容Cs上的电压，使其能够保持在一定区间内上下浮动。

所述采样电容Cs可以根据敏感度要求的不同，配置不同容值和速度的采样电容，容值和速度的不同决定了采样电容到达规定的电压所需要的时间，时间要求短，就需要小容值、速度快的电容器，时间要求长，就需要大容值、速度慢的电容器，根据具体需求配置；所述迟滞比较器的迟滞电压和迟滞量也需要根据要求的电压值进行相对应的配置，迟滞电压指基准电压与阈值电压的值，基准电压决定迟滞比较器电压上限，阈值电压决定迟滞比较器电压下限；迟滞量则是指基准电压与阈值电压的区间；迟滞量越大，区间越大，电压可变范围越大；迟滞量越小，区间越小，电压可变范围越小，根据电路中对电压的要求范围配置对应的迟滞电压和迟滞量；迟滞比较器正端接采样电容Cs，收集采样电容Cs的电压信息，负端接基准电压Vref，比较采样电容Cs的电压是否处于基准电压与阈值电压的区间，处于区间内，不做处理，不处于区间内，迟滞比较器输出信号直接控制开关S2的闭合或断开状态。

通过上述技术方案，选择不同规格的采样电容与迟滞比较器，能够针对不同敏感度要求的电路，实现按键电容的电压控制。

所述压控振荡器指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，频率是输入信号电压的函数的振荡器，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。这类器件专用于提供一种频率会在合理的范围内随输入信号的电压幅值变化而变化的输出信号，采用计数器收集压控振荡器输出信号的频率，通过对计数结果进行分析，判断电路是否受到外界因素的干扰，即按键电容是否被触发。计数结果的判定条件一般分为两种：

1.计数器针对一定时间内压控振荡器VCO输出信号的周期数来作为判断条件：当无按键按下时，采样电容的由于不断进行充放电，其电压值一直保持在一个稳定的区间内上下浮动，压控振荡器输出信号的频率具备一定的周期性，计数器结果为一个固定的周期数；图2为本发明的人体触碰按键等效电容变化示意图，当按键的动作发生时，人体触摸按键会产生感应电容Cp，由于感应电容Cp与按键电容Ct为并联关系，所以节点等效电容X1增大，在每次开关周期向采样电容Cs灌入的电荷量增加，最终会使采样电容Cs的电压VCs稳定时的平均电压值升高，压控振荡器VCO输出频率增加，周期数会相应增加或减少；

2.计数器针对一定周期数内压控振荡器VCO输出信号需要的时间来作为判断条件：当无按键按下时，采样电容的由于不断进行充放电，其电压值一直保持在一个稳定的区间内上下浮动，压控振荡器输出信号的频率具备一定的周期性，计数器到达对应周期数所需要的时间固定；当按键的动作发生时，人体触摸按键会产生感应电容Cp，由于感应电容Cp与按键电容Ct为并联关系，所以节点等效电容X1增大，在每次开关周期向采样电容Cs灌入的电荷量增加，最终会使采样电容Cs的电压VCs稳定时的平均电压值升高，压控振荡器VCO输出频率增加，再次到达对应的周期数的时间会相应增加或减少。

以上这两种测量方法，都是通过比较测量数值和一个预先设置的门限值，来判断按键电容是否被触发。门限值需要被适当地校准，避免影响开关的灵敏度。在初次使用中，需要对所有开关设置门限值进行初始校准。如果是处于一个动态变化的环境中，还应当对门限值增加周期性校准。当门限值设置过于偏离开关没有被按压时候的数值，按键触发事件就可能很难被检测到。或者门限值设置过于接近开关没有被按压时候的数值，在按键电容还没有被触发时，就可能误检测出按键触发事件。因为是对电容值的变化进行分析判断，所以在分析时希望变化幅度越大越好。而影响开关电容及变化幅度有以下几个因素：1.PCB上开关的大小、形状和配置；2.PCB走线和使用者手指间的材料种类；3.连接开关和MCU的走线特性。通常情况下，在特定区域中的开关越大且走线越多，则此开关的闲置电容就越高。开关上方使用的材料种类，也会影响电容的变化率。要想使电容变化极大化，应该尽可能使用具有高介电常数的材料或者更薄的材料来增加开关的绝对电容。

通过上述技术方案，使用压控振荡器VCO对采样电容电压值进行转换输出，采用计数器收集压控振荡器VCO的输出频率，通过频率是否异常来判断按键电容是否被触发。

一种应用于MCU中触摸按键电容检测系统，该检测系统包括：充电模块、放电模块和检测模块；

所述充电模块是通过电源端VDD对按键电容Ct进行充电，再由按键电容Ct对采样电容Cs进行充电，从而提高采样电容Cs的电压；所述放电模块是指电容Cs通过限流电阻Rs对地放电，从而降低采样电容Cs的电压；所述检测模块采用压控振荡器VCO与计数器结合的方式完成对采样电容Cs的电压变化检测，根据计数器输出数据来判断电容式触摸感应按键开关是否被触发。

通过上述技术方案，通过各种电路元件结合来实现对采样电容的充电、放电和检测功能，通过检测结果分析判断触摸按键是否被触发。

所述充电模块是由电源端VDD、按键电容Ct和采样电容Cs组成，系统开始工作时，开关S1闭合，开关S1b断开，电源端VDD与按键电容Ct形成通路，电源中的正负电荷在电势差的作用下移动到按键电容的正极和负极中。由于电容两极之间绝缘，所以正负电荷无法抵消，正负电荷大量聚集在电容两极，所产生的电场力又约束了电容两端聚集的电荷，所以电容两端会保留一定的电荷。当开关S1断开时，开关S1b闭合，按键电容Ct与采样电容Cs连接，在电势差的作用下，按键电容两端保留的电荷会移动到电压更低的采样电容中，提高采样电容的电压，完成充电过程。

通过上述技术方案，采用开关闭合与断开方式实现电荷从电源到采样电容转移的过程，完成对采样电容的充电控制。

所述放电模块是由迟滞比较器、开关S2和限流电阻Rs组成，S2开关工作状态(闭合与断开)由迟滞比较器输出信号控制，系统开始工作时，采样电容上的电压VCs逐渐上升，迟滞比较器实时采集采样电容上的电压值，当电压值高于迟滞比较器设定的基准电压Vref时，迟滞比较器输出信号控制开关S2闭合，采样电容通过限流电阻Rs开始对地放电；当采样电容上的电压VCs逐渐低于迟滞比较器设定的阈值电压时，迟滞比较器输出信号控制开关S2断开，采样电容Cs对地的放电通路断开，停止放电，系统自动调用充电模块，通过电源对采样电容Cs继续充电，直到迟滞比较器输出再次翻转。

通过上述技术方案，采用迟滞比较器对采样电容上的电压进行数据收集，通过控制开关断开与闭合，完成对采样电容的放电控制。

所述检测模块是由压控振荡器VCO和计数器组成，压控振荡器VCO专用于提供一种频率会在合理的范围内随输入信号的电压幅值变化而变化的输出信号，输入信号的电压是指采样电容的电压；计数器就是实现计数的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，采用计数器收集压控振荡器输出信号的频率，可以通过相关软件对计数结果进行判定，与无按键按下情况下的计数结果进行对比，找出是否存在异常，完成采样电容的电压变化的检测与触摸按键是否被触发的判断，其中：

触摸按键应用了电容感应原理，利用人体的感应电容来检测是否有手指存在。在没有手指按下时，按键本身会存在一定的静态电容Ct，此电容约10pF～30pF之间，由于人体触摸按键动作发生时，人体与大地产生感应电容Cp作用在按键上，感应电容为几个pF，人体电容并上按键上的静态电容，使得总电容增加。因此检测原理就是根据此电容的变化进行的，传统的技术中电容式触摸按键的按键检测方法通常以充电次数作为判断依据，这类方案存在诸多缺陷。在背景技术的基础上，将外置大电容集成到芯片内部，容值设置为百pf级，容值的降低不影响检测性能，并根据应用情况，电容值在一定范围内可调，只需要在精度和速度两方面进行相应的折中。其基本原理是内部采样电容容值较低时，电荷转移的过程加快，内部采样电容Cs电压更快到达比较器阈值，但是牺牲了采样的精确度。反之提高了精度便增加了转换的速度。另一方面，本发明通过采样电容上的平均电压作为检测的判定条件，也进一步提高了检测的灵敏度，即使按键上产生微小的感应电容也能检测到。

通过上述技术方案，采用压控振荡器和计数器结合的方式，来对采样电容的电压变化进行检测从而判断触摸按键是否被触发。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1.本发明在检测过程中不需要使用外部元器件，利用电路板内部元器件组合使用的方式就能实现触摸按键触发检测，节省外围器件成本，提高经济可行性。

2.本发明利用内部迟滞比较器控制采样电容上的电压维持在一个稳定区间，从而控制压控振荡器VCO的输出频率，通过对比按键没被触发情况下的输出频率与按键被触发情况下的输出频率，来精准判断按键是否被触发，能够实现较高的解析度。

3.本发明采用的采用电容的容值和速度与迟滞比较器的迟滞电压和迟滞量能够根据实际使用情况自定义配置，提高了元器件的复用性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法及其系统的检测电路示意图；

图2是本发明一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法及其系统的人体触碰按键等效电容变化示意图。

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做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。

本发明提供一种应用于MCU中触摸按键电容检测系统，该检测系统包括：充电模块、放电模块和检测模块；

所述充电模块是通过电源端VDD对按键电容Ct进行充电，再由按键电容Ct对采样电容Cs进行充电，从而提高采样电容Cs的电压；所述放电模块是指电容Cs通过限流电阻Rs对地放电，从而降低采样电容Cs的电压；所述检测模块采用压控振荡器VCO与计数器结合的方式完成对采样电容Cs的电压变化检测，根据计数器输出数据来判断电容式触摸感应按键开关是否被触发。

通过上述技术方案，通过各种电路元件结合来实现对采样电容的充电、放电和检测功能，通过检测结果分析判断触摸按键是否被触发。

所述充电模块是由电源端VDD、按键电容Ct和采样电容Cs组成，系统开始工作时，开关S1闭合，开关S1b断开，电源端VDD与按键电容Ct形成通路，电源中的正负电荷在电势差的作用下移动到按键电容的正极和负极中。由于电容两极之间绝缘，所以正负电荷无法抵消，正负电荷大量聚集在电容两极，所产生的电场力又约束了电容两端聚集的电荷，所以电容两端会保留一定的电荷。当开关S1断开时，开关S1b闭合，按键电容Ct与采样电容Cs连接，在电势差的作用下，按键电容两端保留的电荷会移动到电压更低的采样电容中，提高采样电容的电压，完成充电过程。

通过上述技术方案，采用开关闭合与断开方式实现电荷从电源到采样电容转移的过程，完成对采样电容的充电控制。

所述放电模块是由迟滞比较器、开关S2和限流电阻Rs组成，S2开关工作状态(闭合与断开)由迟滞比较器输出信号控制，系统开始工作时，采样电容上的电压VCs逐渐上升，迟滞比较器实时采集采样电容上的电压值，当电压值高于迟滞比较器设定的基准电压Vref时，迟滞比较器输出信号控制开关S2闭合，采样电容通过限流电阻Rs开始对地放电；当采样电容上的电压VCs逐渐低于迟滞比较器设定的阈值电压时，迟滞比较器输出信号控制开关S2断开，采样电容Cs对地的放电通路断开，停止放电，系统自动调用充电模块，通过电源对采样电容Cs继续充电，直到迟滞比较器输出再次翻转。

通过上述技术方案，采用迟滞比较器对采样电容上的电压进行数据收集，通过控制开关断开与闭合，完成对采样电容的放电控制。

所述检测模块是由压控振荡器VCO和计数器组成，压控振荡器VCO专用于提供一种频率会在合理的范围内随输入信号的电压幅值变化而变化的输出信号，输入信号的电压是指采样电容的电压；计数器就是实现计数的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，采用计数器收集压控振荡器输出信号的频率，可以通过相关软件对计数结果进行判定，与无按键按下情况下的计数结果进行对比，找出是否存在异常，完成采样电容的电压变化的检测与触摸按键是否被触发的判断，其中：

触摸按键应用了电容感应原理，利用人体的感应电容来检测是否有手指存在。在没有手指按下时，按键本身会存在一定的静态电容Ct，此电容约10pF～30pF之间，由于人体触摸按键动作发生时，人体与大地产生感应电容Cp作用在按键上，感应电容为几个pF，人体电容并上按键上的静态电容，使得总电容增加。因此检测原理就是根据此电容的变化进行的，传统的技术中电容式触摸按键的按键检测方法通常以充电次数作为判断依据，这类方案存在诸多缺陷。在背景技术的基础上，将外置大电容集成到芯片内部，容值设置为百pf级，容值的降低不影响检测性能，并根据应用情况，电容值在一定范围内可调，只需要在精度和速度两方面进行相应的折中。其基本原理是内部采样电容容值较低时，电荷转移的过程加快，内部采样电容Cs电压更快到达比较器阈值，但是牺牲了采样的精确度。反之提高了精度便增加了转换的速度。另一方面，本发明通过采样电容上的平均电压作为检测的判定条件，也进一步提高了检测的灵敏度，即使按键上产生微小的感应电容也能检测到。

通过上述技术方案，采用压控振荡器和计数器结合的方式，来对采样电容的电压变化进行检测从而判断触摸按键是否被触发。

一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：开关S1闭合，开关S1b断开，电源端VDD对按键电容Ct进行充电；

步骤2：开关S1断开，开关S1b闭合，按键电容Ct给采样电容Cs进行充电，采样电容的电压VCs升高；

步骤3：当采样电容Cs上的电压充电到高于迟滞比较器的基准电压Vref时，迟滞比较器输出信号将开关S2闭合，采样电容Cs开始对地放电，采样电容的电压VCs降低；

步骤4：待采样电容的电压VCs放电到低于迟滞比较器的阈值电压时，迟滞比较器输出信号将开关S2断开，采样电容Cs停止对地放电，回到步骤1和步骤2；

步骤5：重复步骤1、步骤2、步骤3和步骤4，使得采样电容Cs的电压VCs最终稳定在设置的区间内；

步骤6：采样电容Cs的电压VCs送入压控振荡器VCO，压控振荡器VCO输出信号频率随着采样电容Cs的电压VCs的变化而变化，压控振荡器VCO输出时钟信号，通过计数器对其进行计数；

步骤7：当按键按下时，人体触摸按键产生感应电容Cp，感应电容Cp与按键电容Ct为并联关系，节点等效电容X1增大，在每次开关周期向采样电容Cs灌入的电荷量增加，最终会使采样电容Cs的电压VCs稳定时的平均电压值升高，压控振荡器VCO输出信号频率增加，以计数器结果变化作为检测标准。

请参阅图1，为本发明的检测电路示意图，共有三个开关：开关S1、开关S1b、开关S2；三个电容：感应电容、按键电容、采样电容；以及电源、迟滞比较器、压控振荡器、计数器等元器件。所述开关S1和所述开关S1b的控制信号由MCU内部时钟来提供，时钟是单片机运行的基础，时钟信号推动单片机内各个部分执行相应的指令。开关S1与开关S1b为互反的信号，当开关S1闭合时，开关S1b断开，电源端VDD与按键电容Ct连接，电源中的正负电荷在电势差的作用下移动到按键电容的正极和负极中。由于电容两极之间绝缘，所以正负电荷无法抵消，正负电荷大量聚集在电容两极，所产生的电场力又约束了电容两端聚集的电荷，所以电容两端会保留一定的电荷。当开关S1断开时，开关S1b闭合，按键电容Ct与采样电容Cs连接，在电势差的作用下，按键电容两端保留的电荷会移动到电压更低的采样电容中，提高采样电容的电压，完成充电过程。

通过上述技术方案，采用不同开关的闭合或断开方式，完成电荷从电源转移到采样电容中的过程，实现对采样电容的充电。

所述开关S2连接限流电阻Rs与迟滞比较器，迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器，又可理解为加正反馈的单限比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的，它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。当采样电容Cs上的电压处于迟滞电压区间时，迟滞比较器输出信号不对开关S2做任何操作；当采样电容Cs上的电压高于基准电压Vref时，迟滞比较器输出信号控制开关S2闭合，采样电容Cs通过限流电阻Rs接地放电；当采样电容Cs上的电压低于阈值电压时，迟滞比较器输出信号控制开关S2断开，采样电容Cs停止接地放电；限流电阻能够很好的对电流进行限制，避免放电电流过大，影响检测的精度。

通过上述技术方案，采用迟滞比较器控制开关S2的方式来限制采样电容Cs上的电压，使其能够保持在一定区间内上下浮动。

所述采样电容Cs可以根据敏感度要求的不同，配置不同容值和速度的采样电容，容值和速度的不同决定了采样电容到达规定的电压所需要的时间，时间要求短，就需要小容值、速度快的电容器，时间要求长，就需要大容值、速度慢的电容器，根据具体需求配置；所述迟滞比较器的迟滞电压和迟滞量也需要根据要求的电压值进行相对应的配置，迟滞电压指基准电压与阈值电压的值，基准电压决定迟滞比较器电压上限，阈值电压决定迟滞比较器电压下限；迟滞量则是指基准电压与阈值电压的区间；迟滞量越大，区间越大，电压可变范围越大；迟滞量越小，区间越小，电压可变范围越小，根据电路中对电压的要求范围配置对应的迟滞电压和迟滞量；迟滞比较器正端接采样电容Cs，收集采样电容Cs的电压信息，负端接基准电压Vref，比较采样电容Cs的电压是否处于基准电压与阈值电压的区间，处于区间内，不做处理，不处于区间内，迟滞比较器输出信号直接控制开关S2的闭合或断开状态。

通过上述技术方案，选择不同规格的采样电容与迟滞比较器，能够针对不同敏感度要求的电路，实现按键电容的电压控制。

所述压控振荡器指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，频率是输入信号电压的函数的振荡器，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。这类器件专用于提供一种频率会在合理的范围内随输入信号的电压幅值变化而变化的输出信号，采用计数器收集压控振荡器输出信号的频率，通过对计数结果进行分析，判断电路是否受到外界因素的干扰，即按键电容是否被触发。计数结果的判定条件一般分为两种：

1.计数器针对一定时间内压控振荡器VCO输出信号的周期数来作为判断条件：当无按键按下时，采样电容的由于不断进行充放电，其电压值一直保持在一个稳定的区间内上下浮动，压控振荡器输出信号的频率具备一定的周期性，计数器结果为一个固定的周期数；请参阅图2，当按键的动作发生时，人体触摸按键会产生感应电容Cp，由于感应电容Cp与按键电容Ct为并联关系，所以节点等效电容X1增大，在每次开关周期向采样电容Cs灌入的电荷量增加，最终会使采样电容Cs的电压VCs稳定时的平均电压值升高，压控振荡器VCO输出频率增加，周期数会相应增加或减少；

2.计数器针对一定周期数内压控振荡器VCO输出信号需要的时间来作为判断条件：当无按键按下时，采样电容的由于不断进行充放电，其电压值一直保持在一个稳定的区间内上下浮动，压控振荡器输出信号的频率具备一定的周期性，计数器到达对应周期数所需要的时间固定；当按键的动作发生时，人体触摸按键会产生感应电容Cp，由于感应电容Cp与按键电容Ct为并联关系，所以节点等效电容X1增大，在每次开关周期向采样电容Cs灌入的电荷量增加，最终会使采样电容Cs的电压VCs稳定时的平均电压值升高，压控振荡器VCO输出频率增加，再次到达对应的周期数的时间会相应增加或减少。

以上这两种测量方法，都是通过比较测量数值和一个预先设置的门限值，来判断按键电容是否被触发。门限值需要被适当地校准，避免影响开关的灵敏度。在初次使用中，需要对所有开关设置门限值进行初始校准。如果是处于一个动态变化的环境中，还应当对门限值增加周期性校准。当门限值设置过于偏离开关没有被按压时候的数值，按键触发事件就可能很难被检测到。或者门限值设置过于接近开关没有被按压时候的数值，在按键电容还没有被触发时，就可能误检测出按键触发事件。因为是对电容值的变化进行分析判断，所以在分析时希望变化幅度越大越好。而影响开关电容及变化幅度有以下几个因素：1.PCB上开关的大小、形状和配置；2.PCB走线和使用者手指间的材料种类；3.连接开关和MCU的走线特性。通常情况下，在特定区域中的开关越大且走线越多，则此开关的闲置电容就越高。开关上方使用的材料种类，也会影响电容的变化率。要想使电容变化极大化，应该尽可能使用具有高介电常数的材料或者更薄的材料来增加开关的绝对电容。

通过上述技术方案，使用压控振荡器VCO对采样电容电压值进行转换输出，采用计数器收集压控振荡器VCO的输出频率，通过频率是否异常来判断按键电容是否被触发。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (9)

1.一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：开关S1闭合，开关S1b断开，电源端VDD对按键电容Ct进行充电；

步骤2：开关S1断开，开关S1b闭合，按键电容Ct给采样电容Cs进行充电，采样电容的电压VCs升高；

步骤3：当采样电容Cs上的电压充电到高于迟滞比较器的基准电压Vref时，迟滞比较器输出信号将开关S2闭合，采样电容Cs开始对地放电，采样电容的电压VCs降低；

步骤4：待采样电容的电压VCs放电到低于迟滞比较器的阈值电压时，迟滞比较器输出信号将开关S2断开，采样电容Cs停止对地放电，回到步骤1和步骤2；

步骤5：重复步骤1、步骤2、步骤3和步骤4，使得采样电容Cs的电压VCs最终稳定在设置的区间内；

步骤6：采样电容Cs的电压VCs送入压控振荡器VCO，压控振荡器VCO输出信号频率随着采样电容Cs的电压VCs的变化而变化，压控振荡器VCO输出时钟信号，通过计数器对其进行计数；

步骤7：当按键按下时，人体触摸按键产生感应电容Cp，感应电容Cp与按键电容Ct为并联关系，节点等效电容X1增大，在每次开关周期向采样电容Cs灌入的电荷量增加，最终会使采样电容Cs的电压VCs稳定时的平均电压值升高，压控振荡器VCO输出信号频率增加，以计数器结果变化作为检测标准。

2.根据权利要求1所述的一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法，其特征在于：所述开关S1和所述开关S1b的控制信号由MCU内部时钟来提供，开关S1与开关S1b为互反的信号，当开关S1闭合时，开关S1b断开；当开关S1断开时，开关S1b闭合。

3.根据权利要求1所述的一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法，其特征在于：所述开关S2连接限流电阻Rs与迟滞比较器，开关S2闭合时，采样电容Cs通过限流电阻Rs接地放电，电压减小。

4.根据权利要求1所述的一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法，其特征在于：所述采样电容Cs根据敏感度要求的不同，配置不同容值和速度的采样电容；所述迟滞比较器的迟滞电压和迟滞量根据要求稳定的电压值进行配置，迟滞比较器正端接采样电容Cs，负端接基准电压Vref，输出信号直接控制开关S2的状态。

5.根据权利要求1所述的一种应用于MCU中触摸按键电容检测方法，其特征在于：所述计数结果的判定条件分为两种：1.计数器采用一定时间内压控振荡器VCO输出信号的周期数，无按键按下时计数器结果为一个固定的周期数，当按键的动作发生时，周期数会相应增加或减少；2.计数器采用一定周期数内压控振荡器VCO输出信号所需要的时间，无按键按下时计数器到达对应周期数的时间为固定值，当按键的动作发生时，再次到达对应的周期数的时间会相应增加或减少。

6.一种应用于MCU中触摸按键电容检测系统，其特征在于，该检测系统包括：充电模块、放电模块和检测模块；

所述充电模块是通过电源端VDD对按键电容Ct进行充电，再由按键电容Ct对采样电容Cs进行充电，从而提高采样电容Cs的电压；所述放电模块是指电容Cs通过限流电阻Rs对地放电，从而降低采样电容Cs的电压；所述检测模块采用压控振荡器VCO与计数器结合的方式完成对采样电容Cs的电压变化检测，根据计数器输出数据来判断电容式触摸感应按键开关是否被触发。

7.根据权利要求6所述的一种应用于MCU中触摸按键电容检测系统，其特征在于：所述充电模块是由电源端VDD、按键电容Ct和采样电容Cs组成，充电过程包括：由电源端VDD向按键电容Ct充电和按键电容Ct向采样电容Cs充电。

8.根据权利要求6所述的一种应用于MCU中触摸按键电容检测系统，其特征在于：所述放电模块是由迟滞比较器、开关S2和限流电阻Rs组成，S2开关工作状态由迟滞比较器输出信号控制，当采样电容上的电压VCs高于基准电压Vref时，开关S2闭合，采样电容通过限流电阻Rs开始对地放电；当采样电容上的电压VCs低于阈值电压时，迟滞比较器输出翻转，开关S2断开，采样电容Cs停止对地放电，充电模块继续对采样电容Cs进行充电，直到迟滞比较器输出再次翻转。

9.根据权利要求6所述的一种应用于MCU中触摸按键电容检测系统，其特征在于：所述检测模块是由压控振荡器VCO和计数器组成；所述压控振荡器VCO是指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路；所述计数器在数字系统中是对脉冲的个数进行计数，能够实现测量、计数和控制的功能；

采样电容的电压值作为压控振荡器VCO的输入信号进行输入，压控振荡器VCO处理完成后，计数器对压控振荡器VCO的输出信号频率进行计数，通过软件将计数结果与无按键按下情况下的计数结果进行对比分析，找出是否存在异常，根据对比结果判断触摸按键是否被触发。

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