RC電容觸摸感應(yīng)按鍵

1：RC感應(yīng)原理

RC采樣原理就是通過測量感應(yīng)極電容的微小變化，來感知人體對電容式感應(yīng)器（按鍵、輪鍵或者滑條）的感應(yīng)。電極電容（C）通過一個固定的電阻（R）周期性地充放電。

固定電壓施加在VIN，VOUT的電壓隨著電容值的變化而相應(yīng)增加或者降低。

通過計算VOUT的電壓達(dá)到閥值VTH所需要的充電時間（tC），來得到電容值（C）。

在觸摸感應(yīng)應(yīng)用中，電容值（C）由兩部分組成：固定電容（電極電容，CX）和當(dāng)人手接觸或者靠近電極時，由人手帶來的電容（感應(yīng)電容，CT）。電極電容應(yīng)該盡可能的小，以保證檢測到人手觸摸。因為通常人手觸摸與否，帶來的電容變化一般就是幾個pF（通常5pF）。

利用該原理，就可以檢測到手指是否觸摸了電極。

2：硬件實現(xiàn)

圖4顯示了一個實現(xiàn)的實例。由R1，R2以及電容電極（CX）和手指電容（CT）并聯(lián)的電容（大約5pF）形成一個RC網(wǎng)絡(luò)，通過對該RC網(wǎng)絡(luò)充放電時間的測量，可以檢測到人手的觸摸。 所有電極共用一個“負(fù)載I/O”引腳。電阻R1和R2盡量靠近MCU放置。電電R1（阻值在幾百千歐到幾兆歐之間）是主要電電阻，用于調(diào)節(jié)觸摸檢測的靈敏度。電阻R2（10K？）是可選的，用于減少對噪聲影響。

3：充放電時間測量原理

為了保證健壯的電容觸摸感應(yīng)的應(yīng)用，充電時間的測量需要足夠的精確。通常有兩種方式來測量充電時間：

1.第一種方法是采用輸入捕獲（IC）定時器，當(dāng)電壓達(dá)到閥值時，觸發(fā)定時器開始工作。該方案中時間測量的精確度直接取決于定時器計數(shù)器的頻率。但是，由于每個電極都需要一個輸入捕獲通道，普通的MCU就不適合這種類型的電容感應(yīng)應(yīng)用了。

2.第二種方法采用一個簡單的定時器（無需IC功能）和一系列簡單的軟件操作，即定時地檢查感應(yīng)I/O端口上的電壓是否達(dá)到閥值。這樣的話，時間測量的精確度就取決于執(zhí)行一次完整軟件查詢需要的CPU周期數(shù)。這種測量方法會由于多次測量帶來一些抖動，但是由于沒有硬件限制，這種方法適用于需要很多電極的場合。

第二種方法修改一下，使用自適應(yīng)的軟件序列，就可以在測量時間時獲得和CPU頻率（fCPU）一樣的精度。

目前ST觸摸感應(yīng)采用第二種方法。

使用普通定時器進(jìn)行充電時間的測量。對電容充電開始之前，定時器的計數(shù)器數(shù)值被記錄下來。當(dāng)采樣I/O端口上的電壓達(dá)到某個閥值（VTH）時，再次記錄定時器計數(shù)器的值。二者之差就是充電或者放電的時間。

為了提高在電壓和溫度變動情況下的穩(wěn)定性，對電極會進(jìn)行連續(xù)兩次的測量：第一次測量對電容的充電時間，直到輸入電壓升至VIH。第二次測量電容的放電時間，直到輸入電壓降至VIL。下圖以及以下的表格詳細(xì)說明了對感應(yīng)電極（感應(yīng)I/O）和負(fù)載I/O引腳上的操作流程。

4：電容充放電測量步驟

由于是測量整個充電和放電為一個過程，因此在電容充電開始時候計時器開始計數(shù)，在電容放電完成時候才停止計數(shù)，同時保存計數(shù)值

以上文字基本摘錄至ST文獻(xiàn)

5：數(shù)據(jù)處理

a：采樣

由于我們在判斷的時候是要花3個周期（while（PIND_X）;），但是我們的計數(shù)器是1個周期的，這樣判斷采樣值就會有誤差。

舉例說，在充電過程中比如在T=49點上好是VIH到達(dá)點。會出現(xiàn)以下三種情況：

1：在前一個判斷點在46時間點上，剛好可以在49時間點判斷采樣到VIH

2：在前一個判斷點在47時間點上，只能在50時間點判斷采樣到VIH，相差1個字

3：在前一個判斷點在48時間點上，只能在51時間點判斷采樣到VIH，相差2個字

我們當(dāng)然希望每次都是情況1出現(xiàn)，但是不可能?。?/p>

采用軟件方法測量3次，在3次中我們假設(shè)49，50，51點各出現(xiàn)一次。

第1次49 第2次 50 第3次 51

第1次49 第2次 50-1=49 第3次 51-2=49

但是我們怎么知道哪次測量是49或者50或者51呢？很簡單我們每次測量比前一次延時1個周期，連續(xù)測量3次，這樣就基本理論上跨越了3種可能出現(xiàn)的情況。但是如果三次都是一樣的值，那就只有埋怨老天怨天了。

我們測量的是整個充放電過程，所以理論上要跨越3*3=9個延遲周期，同時我們還順便把跨越的這9次測量當(dāng)做1組多點測量的平均數(shù)據(jù)。

B手指同步

我們的程序一般都是采樣多點，然后求平均。問題就出在這里，比如程序判斷9個點，在前6個點手指沒有觸摸，后3個點手指按觸摸，這樣求出的平均值就偏小，和手指遠(yuǎn)離按鍵的效果一樣了。特別是平均點越多越是會出現(xiàn)這樣的問題。

因此要求判斷和手指觸摸同步。比如程序判斷9個點，在前3個點手指沒有觸摸，后三個點手指觸摸，我們判斷到第4個點有手指，從4-13掃描9個點。這樣就包含了手指的同步狀態(tài)。當(dāng)然有人說要是我在第7個點把手移開了不就變成后面幾點沒有按鍵嗎？開玩笑的，CPU的速度那么快，也許CPU掃描完成9個點然后再出去轉(zhuǎn)悠一圈回來，你的手指狀態(tài)還沒有來的及改變呢。

當(dāng)然然我們也可以采用連續(xù)掃描兩次9個點，如果兩次值相差在一定范圍內(nèi)，說明手指狀態(tài)一樣。筆者還是采用該種辦法，雖說CPU速度快，但我怕他出去溜達(dá)的時候給什么大姨媽纏住不回來就慘了。

C：按鍵判別

經(jīng)過以上處理假如我們得到觸摸值為80，沒有觸摸時候的值是60，取一個按鍵開啟值70，只要按鍵值大于70就表示有觸摸。但是不是只要觸摸值小于70就表示沒有按鍵呢？當(dāng)然不是，手指畢竟是抖動的，一會大于70，一會兒小于70。按鍵就抖動了。

我們采用一個按鍵釋放值63，這樣當(dāng)觸摸值大于70按鍵開啟，一直到觸摸值小于63才表示按鍵釋放，就消除了按鍵抖動。

當(dāng)然我們實際沒有必要知道每次按鍵的掃描值，只要給每個通道設(shè)置一個差值，讓CPU自己去做觸摸值和基本值之間的差值比較就可以了。如差值大于10按鍵開啟，差值小于3按鍵釋放。

D：按鍵抑制和校準(zhǔn)

按鍵抑制：我們把沒有觸摸時候的電容充放電值掃描紀(jì)錄下來保存為基本按鍵值。然后把以后掃描道的觸摸電容充放電值和基本值比較，在所有通道中差值最大那一組才開啟。起到相鄰按鍵抑制作用。不過筆者認(rèn)為該功能真的作用不大，有時候還會起反作用。

按鍵校準(zhǔn)：該步驟很重要，由于環(huán)境溫度，電壓等造成基本電容變大，這樣如果不重新校準(zhǔn)基本值的話，差值很小，會造成靈敏度降低，甚至檢測不到按鍵。校準(zhǔn)其實很簡單，采用1個定時器，在2秒鐘內(nèi)如果沒有檢測到觸摸狀態(tài)就重新掃描保存基本值。

好了就這樣基本上RC電容按鍵就完成了。

寫在這里，不得不說一下，筆者用AT2313編譯過6鍵的RC觸摸按鍵，穩(wěn)定性還是不錯的，不過在實驗室，為什么不在惡劣的環(huán)境下試驗?zāi)兀?/p>

下面說一下RC電容感應(yīng)的缺點，不談優(yōu)點，筆者認(rèn)為基本沒有。

1） 要求CPU速度要快，一般8M以上

2） 容易受干擾，輸入檢測是高阻態(tài)嘛

3） 該方法檢測的手指電容變換不大（靈敏度和干擾相克，同時電容的穿透感應(yīng)最強是在充放電的瞬間，而不是整個過程，RC原理恰恰是運用的整個過程）

4） 軟件處理麻煩

建議玩玩，或者用在搞死人不償命的設(shè)備上還是可以的，比如小玩具，手機等。嚴(yán)禁用在工業(yè)產(chǎn)品上啊。

筆者用2313做過RC電容感應(yīng)按鍵6個，模仿ST的

PD1作為公共腳

PA1PA0PD2PD3PD4PD5做K0-K5 6個按鍵

PB4PB3PB2PB1PB0PD6接發(fā)光二極管來反映狀態(tài)

本來還留有I2C口的，由于感覺該方案實在不能用于工業(yè)，所以就到此為止。