一种电容感应触控按键及其判键方法

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一种电容感应触控按键及其判键方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及触摸按键制造技术领域,尤其涉及一种电容感应触控按键及其判键方 法。
【背景技术】
[0002] 电容式触控技术在各种电子设备中的应用已较为成熟,例如在手机,PAD,DVD,TV, 洗衣机等领域的设计方案中已经有了广泛使用,采用电容式触控技术的电容式触摸按键逐 渐替代了机械式按键。与传统的机械式按键相比,电容式触摸按键不仅美观而且耐用、寿命 长,机构简单易于安装,成本较低,相对于传统意义上的机械式按键,电容式触摸按键只要 轻轻触碰,就可以实现对按键的开关控制、量化调节甚至方向控制。相对地,机械式按键就 具有安装和操作不够方便,长时间使用后容易进灰尘,不够卫生,成本较高,以及使用寿命 短等问题。由于上述原因,尤其是电容式触摸按键的耐用性,电容式触控技术逐渐成为触摸 控制的首选技术。电容式触控技术在消费市场已经获得广泛的认可,正逐渐出现在更多的 消费设备市场。
[0003] 电容式触摸按键的结构与电阻式的相似,但是其采用电容量为判断标准。电容式 触摸按键包括一个1C(集成电路)控制的电路,该电路包括一个放置在操作面板后的简单 阻性环形电极组件。按键的操作面板可以是一整块普通材质的绝缘体,如有机玻璃,或者其 他一般材料。所述的操作面板不需要挖孔,人手接近界面并和下面的电极片形成电容,靠侦 测电容量的变化来感应控制电路。一般不受温度、静电、水、灰尘等外界因素的影响,单靠人 手感应作为电容量的变量。整个界面没有按键的存在,便于清洁,使产品的外观更加高档美 观,由于按键没有接触点,使用寿命也非常长久,因为没有机械结构的寿命问题,只是按电 子器件的寿命来决定按键的寿命,几乎可保持永久性。
[0004] 电容式触摸按键现有的常用方案,已常用的专用电容按键1C方案和PWM(脉冲宽 度调制)方案两种为例阐述。
[0005] 专用电容按键1C方案。优点是可以扩展多个电容按键,软件设计相对简单,一般 通过专用接口,如IIC与MCU相连。缺点是,需要有专用接口,增加芯片,成本提高,特别是 当按键数量较少时,更为明显。
[0006] PWM方案。方案如图1所示,此方案一般为两个GPIO(GeneralPurposeInput Output,简称为GPI0,或总线扩展器。当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口,或当系统 需要采用远端串行通信或控制时,GPI0产品能够提供额外的控制和监视功能)。一个GPI0 输出PWM波形,负责提供改变电压值;另一个GPI0是输入信号,负责检测电压的变化。如 图1所示,GPI01输出为高电平,电容C'充电,电容电压上升,当GPI02检测到高电平后, MCU(微控制单元)控制GPI01变为低电平,电容C'又放电,电容电压下降,当GPI02检测到 低电平后,GPI01又输出高电平。GPI01变化的频率和电容C'的电容值有关。检测到GPI01 上频率的变化,就是检测到按键的变化,从而检测到人手的按下。其波形如下图2。此方案 优点是无需外加芯片,成本降低。缺点是检测时间较长,至少需要两个GPI0,并且有一个需 要有PWM功能,对MCU'要求较高。
[0007] 例如公开号为CN104215812A的专利申请文件中,"公开了一种MCU芯片电压检 测电路,MCU具有第一I/O端口、第二I/O端口、定时器、连接电源电压的电压输入端和接地 端;第一I/O端口为输出端口,该第一I/O端口的输出电压由MCU控制;第二I/O端口为输 入端口"。采用的便是PWM方案。
[0008] 上述设计方案的关键就是检测电容量的变化,而电容量的变化在实际的系统中体 现在充放电时间的变化。当充放电时间变化越明显,那么MCU检测变化越准确,误检率越 小。
[0009] 综合上述,现有设计方案对处理器接口方式要求较高,占用硬件资源较多,或者需 要有专用接口,或者至少有带PWM功能的10 口,控制复杂,低功耗控制复杂,功耗较高。
[0010] 原有的计划方案相对复杂,如专用电容按键1C方案需使用专有1C,或者如PWM方 案需使用若干GPI0管脚并且需要有PWM功能,不利于控制成本。故,原有设计方案中,对处 理器接口方式要求较高,占用硬件资源较多,控制复杂,功耗较高,成本也较高。

【发明内容】

[0011] 本发明的发明目的是解决上述现有电容感应触控电路的局限性,提供一种占用硬 件资源少,抗干扰能力强,控制方便,功耗较低且成本较低的电容感应触控电路。
[0012] 本发明一种电容感应触控按键,包括设置有计时器的微控制单元,所述的微控制 单元包括一个GPI0端口,还包括一个电容和一个上拉电阻;所述的上拉电阻的一端与所述 的GPI0端口相连,另一端连接高电平;所述的电容的一端与所述的GPI0端口相连,另一端 接地;所述的上拉电阻、电容和GPI0端口相连接的公共点连接电容按键。
[0013] 作为优选,所述的电容并联对地电阻;所述的对地电阻的一端与所述的GPI0端口 相连,另一端接地。
[0014] -种电容感应触控按键的判键方法,包括以下步骤:
[0015] 步骤一、初始化GPI0端口,关闭微控制单元内部的上拉功能,配置为既不上拉也 不下拉的模式;
[0016] 步骤二、使能并配置GPI0端口的高电平中断;
[0017] 步骤三、将GPI0端口设置为输出,并输出低电平;此时电容放电;
[0018] 步骤四、启动微控制单元的计时器功能,同时GPI0端口配置为输入,并开启高电 平中断;此时电容开始充电,在GPI0端口的中断服务函数中读取定时器的时间;
[0019] 步骤五、根据检测到所述的电容的充电时间是否存在变化量判断是否有按键按 下;所述的电容的充电时间的变化量采用时间差At表示,假设所述的电容按键触碰引起 所述的电容的电容值变量为AC,电容值变量为AC与电容的充电时间时间差At的关系为
[0020]
[0021] 其中,R1表示上拉电阻的阻值,U表示所述的上拉电阻连接的高电平端的电压值, UH表示GP10端口检测到高电平时的电压。
[0022] -种电容感应触控按键的判键方法,包括以下步骤:
[0023] 步骤一、初始化GPI0端口,关闭微控制单元内部的上拉功能,配置为既不上拉也 不下拉的模式;
[0024] 步骤二、使能并配置GPI0端口的高电平中断;
[0025] 步骤三、将GPI0端口设置为输出,并输出低电平;此时电容放电;
[0026] 步骤四、启动微控制单元的计时器功能,同时GPI0端口配置为输入,并开启高电 平中断;此时电容开始充电,在GPI0端口的中断服务函数中读取定时器的时间;
[0027] 步骤五、根据检测到所述的电容的充电时间是否存在变化量判断是否有按键按 下;所述的电容的充电时间的变化量采用时间差At表示,假设所述的电容按键触碰引起 所述的电容的电容值变量为AC,电容值变量为AC与电容的充电时间时间差At的关系为
[0028]
[0029] 其中,V表示电压分压系数,V的计算公式为Z=l+iR1表示上拉电阻的阻值, R2表示对地电阻的阻值,U表示所述的上拉电阻连接的高电平端的电压值,U。表示电容上 的电压。
[0030] 采用以上结构后,本发明与现有技术相比,具有以下优点:
[0031 ] 本发明一种电容感应触控按键及其判键方法,只需配置一个GPI0端口,一或二个 电阻和一个电容,就实现了电容触控按键的检测和判断。本发明有且只有一个GPI0端口, 占用硬件资源少,大大降低了电容按键的设计成本,特别适合低成本应用,同时使用GPI0 比较少的MCU的应用又降低了对MCU的需求。
[0032] 只需要在每一定时间段只需要进行一次电容翻转即可,其他时间芯片可以处于睡 眠状态,相比较PWM方案和专用电容按键1C方案,大大节约了功耗。本发明对移动式设备 对节能非常严格要求的场合,提供了一种便捷和可行的方法。
【附图说明】
[0033] 图1是现有技术中PWM方案的电路结构图。
[0034] 图2是采用图1中PWM方案得到的波形图。
[0035] 图3是本发明第一种方案的电路结构图。
[0036] 图4是本发明第二种方案的电路结构图。
[0037] 图5是本发明的Uc/U随时间t变化的曲线图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0039] 如图3所示本发明包括设置有计时器的微控制单元,所述的微控制单元包括一个 GP10端口,还包括一个电容和一个上拉电阻;所述的上拉电阻的一端与所述的GP10端口相 连,另一端连接高电平;所述的电容的一
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