专利名称：一种电容式感应按键的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及非接触式电子按键，更具体地，涉及一种电容式感应按键。
背景技术：
电容式感应按键是一种常用的非接触式电子按键，相比于传统的机械按键，具有防水、寿命长、性能稳定、反应灵敏等优点，因而被广泛应用于各种电子电器产品的控制面板当中。现有技术的电容式感应按键如图1所示，采用“张驰振荡器”的工作原理实现对人体手指或者触摸笔接触感应按键的检测。如图1所示，现有的电容式感应按键包括电容触摸按键10，N路多路选择开关11 (N—般为4、6、8、16等)，比较器12以及定时计数器13 ；其中，电容触摸按键10具有感应电极，对应触摸感应电容Cfn(n = 1 N)，并且有外部分布杂散电容Con (n = 1 N)；电容触摸按键10连接到N路多路选择开关11的输入端；N路多路选择开关11的输出端连接到比较器12的负极输入端，比较器12的正极输入端连接自动设置的阈值电平(图中未标出自动电平设置装置)；比较器12的输出端连接定时计数器 13，并且作为反馈回路连接比较器12的负极输入端。现有的电容式感应按键的工作原理在于所述电容触摸按键10中的电容与比较器12共同构成一个不断充电和放电的振荡电路；如果人体手指或触摸笔不触摸感应电容触摸按键10的感应电极，则该振荡电路保持一个固定频率的充放电周期，其固定的振荡频率被定时计数器13所计数检测。当人体手指或触摸笔接触触摸感应电容触摸按键10的感应电极时，其与感应电极通过介质形成一个感应电容Cfl，即外部电容的容量(Cfl和Col)增加了，从而使所述振荡电路的充放电周期变长，振荡频率发生变化。定时计数器13测量振荡频率的变化，就能够检测到按键的触摸动作，达到触摸按键检测的目的。现有的电容式感应按键的缺点在于电路结构复杂，需要采用专用的芯片检测人体手指或触摸笔与感应电极之间形成的感应信号，产品可靠性较低，成本高。因而，现有技术中迫切需要一种改进的电容式按键，代替现有的“张驰振荡器”电容式感应按键。
实用新型内容针对现有的“张驰振荡器”电容式感应按键的上述缺陷，本实用新型提供了一种改进的电容式感应按键，其采用“电容电荷转移”的工作方式取代传统的“张驰振荡器”。本实用新型的电容式感应按键包括电容触摸按键00)以及微处理器；其中所述电容触摸按键00)具有感应电极O01)；感应电极(201)连接所述微处理器；微处理器通过输入/输出端口(210)连接电容触摸按键(20)，对所述电容触摸按键OO) 反复充放电并检测所述感应电极O01)的触摸感应电容(Cf)，生成按键检测信号(AD0， ADf)。其中，所述微处理器进一步包括电容电荷转移电路011)，对所述电容触摸按键OO)及微处理器的寄生电容(Ch)反复充放电和电荷转移；模数转换器012)，反复采样获得电荷转移后电容触摸按键00)的若干对输入信号值(ADl，ADh)；数字处理模块013)，对反复采样保持模数转换器(21 转换后所获得的所述若干对输入信号值(AD1， ADh)进行寄存、差分比较运算、数字滤波和双阈值比较，取得按键检测信号(AD0，ADf)。进一步优选地，其中，所述电荷转移电路011)包括第一充放电端子(RAO)，第一控制开关(Kl)，第二充放电端子(RAl)，第二控制开关(K2)以及电荷转移开关(KO)；其中第一充放电端子(RAO)通过所述第一控制开关(Kl)连接所述电容触摸按键OO)；第二充放电端子(RAl)通过第二控制开关(以)连接微处理器的寄生电容(Ch)；电荷转移开关 (KO)连接所述电容触摸按键OO)和所述寄生电容(Ch)并控制二者的电荷转移。进一步优选地，其中，所述数字处理模块(21 包括寄存器(2131)，寄存经反复采样保持模数转换器(21 转换后获得的所述输入信号值(AD1，ADh)；差分比较运算模块(2132)，对反复采样保持模数转换器(21 转换后获得的若干对所述输入信号值(AD1， ADh)进行差分比较运算得到若干个差分信号(ADn)；数字滤波和按键判断模块(2133)，对所述若干个差分信号(ADn)进行数字滤波以及双阈值比较获得所述按键检测信号(AD0， ADf)。进一步优选地，其中，所述差分比较运算模块013 对若干对模数转换器(212) 转换后的输入信号(ADh，ADl)进行差分比较运算获得若干个差分信号(ADn)。更进一步优选地，所述数字滤波和按键判断模块包括第一级数字滤波器 0133a)、第二级数字滤波器013 )、第三级数字滤波器0133c)、感应按键基准值计算模块0133d)以及按键判断模块013 ),其中第一级数字滤波器(2133a)对第一时间间隔内的若干个差分信号(ADn)进行去最大、最小值和平均值运算，获得第一级数字滤波值；第二级数字滤波器(2133b)对第二时间间隔内获得的多个第一级数字滤波值进行去最大、最小值和平均值运算，获得第二级数字滤波值；第三级数字滤波器(2133c)对第三时间间隔内获得的多个第二级数字滤波值进行平均值运算，获得第三级数字滤波值，作为按键感应信号值(ADkey)；感应按键基准值计算模块(2133d)计算电容触摸按键OO)未被按下时的感应按键基准值(ADbm)；按键判断模块013 )比较所述按键感应信号值(ADkey)和感应按键基准值 (ADbm)，判断所述电容触摸按键OO)是否按下，生成按键检测信号(ADO、ADf)。综上所述，本实用新型的电容式感应按键及其按键检测方法采用了 “电容电荷转移”的工作原理，与传统的“张驰振荡器”电容式感应按键相比，摒弃了专用的感应信号检测芯片，大大简化了电路结构，增加了产品可靠性，降低了产品成本，按键灵敏度高，抗干扰能力强，可广泛适用于各种电子电器产品。
图1是现有技术的电容式感应按键的结构示意图；图2是本实用新型实施例的电容式感应按键的结构示意图；图3是本实用新型实施例的数字处理模块的结构示意图；图4是本实用新型实施例的数字滤波和按键判断模块的结构示意图。
具体实施方式
为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施方式
并配合附图详予说明。图2是本实用新型实施例的电容式感应按键的结构示意图。本实用新型的电容式感应按键采用“电容电荷转移”工作方式，由微处理器21 (CPU)与电容触摸按键20中的感应电极201直接相连，所述微处理器21带有模数转换器212 (A/D)功能的输入/输出(I/O) 端口。微处理器CPU检测人体手指或触摸笔接触感应电极时所产生的触摸感应电容Cf，从而生产表示按键动作的按键检测信号。由于在电容触摸按键具有外部分布杂散电容Co，并且微处理器芯片内部具有寄生电容Ch，人体手指或触摸笔接触感应电极时所产生的触摸感应电容Cf与外部分布杂散电容Co和寄生电容Ch的相差都不大，为了消除Ch和Co对检测的影响，微处理器采用差分A/D比较运算法来检测触摸感应电容Cf，从而达到侦测按键动作的目的。如图2所示，本实用新型的电容式感应按键包括电容触摸按键20以及微处理器 21 ；其中所述电容触摸按键20具有感应电极201 ；感应电极201连接所述微处理器21。当人体手指或者触摸笔与感应电极201接触时，二者通过介质形成所述触摸感应电容Cf ；如果人体手指或者触摸笔与感应电极201不接触，则相当于触摸感应电容Cf = 0。电容触摸按键20还具有外部分布杂散电容Co。如图2，微处理器21通过其输入/输出端口 210连接电容触摸按键20。微处理器21通过其输入/输出端口 210对所述电容触摸按键20反复进行充电、放电，并检测所述感应电极201的触摸感应电容Cf，根据触摸感应电容Cf的变化生成按键检测信号ADO或ADf。其中，所述微处理器21的结构进一步包括电容电荷转移电路211，模数转换器 212以及数字处理模块213，并且，微处理器21的芯片内部还具有寄生电容Ch。电容电荷转移电路211通过输入/输出端口 210连接到外部的所述电容触摸按键 20，并控制对所述电容触摸按键20及微处理器21的寄生电容Ch反复进行充电、放电和电荷转移。具体地，所述电荷转移电路211包括第一充放电端子RA0，第一控制开关K1，第二充放电端子RAl，第二控制开关K2以及电荷转移开关KO ；其中第一充放电端子RAO通过所述第一控制开关Kl连接所述电容触摸按键20 ；第二充放电端子RAl通过第二控制开关K2 连接微处理器的寄生电容Ch ；电荷转移开关KO连接所述电容触摸按键20的触摸感应电容 Cf和外部分布杂散电容Co以及所述寄生电容Ch，并控制二者的电荷转移，从而使触摸感应电容Cf和外部分布杂散电容Co以及所述寄生电容Ch达到电荷平衡。模数转换器212反复采样、保持、模数转换(A/D转换)，获得经过电荷转移达到电荷平衡之后，电容触摸按键20的若干对输入信号值ADl和ADh，也即触摸感应电容Cf和外部分布杂散电容Co上的输入信号值。数字处理模块213，对反复采样保持模数转换器(21 转换后获得的所述若干对输入信号值ADl和ADh进行寄存、差分比较运算、数字滤波以及双阈值比较，取得按键检测信号ADO或ADf。下面详细说明本实用新型的上述电容式感应按键的按键检测方法在正常工作时，电荷转移电路211中的电荷转移开关KO断开，第一控制开关Kl和第二控制开关K2闭合；第一充放电端子RAO的电平置为“0”，使触摸感应电容Cf和外部分布杂散电容Co放电；第二充放电端子RAl的电平置为“1”，使寄生电容Ch充电。然后，第一控制开关Kl和第二控制开关K2断开，电荷转移开关KO闭合，使寄生电容Ch对触摸感应电容Cf和外部分布杂散电容Co进行充电，当三者电荷平衡后，模数转换器212进行采样、 保持、A/D转换，获得触摸感应电容Cf和外部分布杂散电容Co上的第一输入信号值ADh。 之后，电荷转移电路211中的电荷转移开关KO断开，第一控制开关Kl和第二控制开关K2闭合；第一充放电端子RAO的电平置为“1”，使触摸感应电容Cf和外部分布杂散电容Co充电；第二充放电端子RAl的电平置为“0”，使寄生电容Ch放电。然后，第一控制开关Kl和第二控制开关K2断开，电荷转移开关KO闭合，使触摸感应电容Cf和外部分布杂散电容Co对寄生电容Ch进行充电，当三者电荷平衡后，模数转换器212再次进行采样、保持、 A/D转换，获得触摸感应电容Cf和外部分布杂散电容Co上的第二输入信号值ADl。反复执行上述充电、放电和电荷平衡的过程，并且模数转换器212以固定的采样保持频率，反复采样、保持、A/D转换，获得经过电荷转移达到电荷平衡之后的输入信号值， 从而在第一时间间隔内获得若干对第一和第二输入信号值ADl和ADh。例如，在本实施例， 模数转换器212在每IOms内进行12次采样，即分别采集6次ADl和6次ADh，从而在每 IOms内获得6对ADl和ADh，表示为ADln和ADhn (n = 1 6)。数字处理模块213的结构如图3所示，包括寄存器2131，差分比较运算模块2132 以及数字滤波和按键判断模块2133。寄存器2131寄存经反复采样、保持、A/D转换，所获得的所述输入信号值ADh和ADl ；差分比较运算模块2132对以上经过采样保持模数转换器 (212)转换后所获得的若干对第一和第二输入信号值ADh和ADl进行差分比较运算，获得若干个差分信号ADn。本实施例中，每IOms内差分比较运算模块2132对6对ADl和ADh 分别进行差分比较运算，即ADn = ADhn-ADln (n = 1 6)，从而在每IOms内获得6个ADn 值。数字滤波和按键判断模块2133，再对经过反复采样、保持、A/D转换，所获得的若干个差分信号ADn进行数字滤波以及双阈值比较处理，滤除共模、差模干扰，并获得最终的按键检测信号ADO或ADf。图4详细示出了数字滤波和按键判断模块2133的结构。所述数字滤波和按键判断模块2133包括第一级数字滤波器2133a、第二级数字滤波器2133b、第三级数字滤波器 2133c、感应按键基准值计算模块2133d以及按键判断模块2133e。下面结合图4具体介绍所述数字滤波以及双阈值比较等处理的步骤。第一级数字滤波器2133a对第一时间间隔内的若干个差分信号ADn进行去最大、 最小值和平均值运算，获得第一级数字滤波值。如上文所述，每IOms内差分比较运算模块 2132输出6个ADn值。第一级数字滤波器2133a进行第一级数字滤波，去掉6个ADn值当中的最大值ADnmax和最小值ADnmin，取其余的4个ADn值进行平均，作为这IOms内的第一级数字滤波值，记为ADltlms,因而每隔IOms第一级数字滤波器2133a就输出一个第一级数字滤波值。第二级数字滤波器213 对第二时间间隔内获得的多个第一级数字滤波值进行去最大、最小值和平均值运算，获得第二级数字滤波值。如上文所述，在每隔IOms第一级数字滤波器2133a就会输出一个第一级数字滤波值的情况下，每隔40ms第二级数字滤波器 213 获得4个第一级数字滤波值，记为ADic1disn (N= 1-4)。对以上4个第一级数字滤波值去掉其中的最大值ADltlmsmax和最小值ADltlmsmin,对其余2个第一级数字滤波值进行平均，作为这40ms内的第二级数字滤波值，记为AD4tlms,即每隔40ms得到一个第二级数字滤波值。第三级数字滤波器2133c对第三时间间隔内获得的多个第二级数字滤波值进行平均值运算，获得第三级数字滤波值，该滤波值即作为按键感应信号值ADKEY。如上文所述，每隔40ms得到一个第二级数字滤波值，则每120ms获得3个第二级数字滤波值，记为 AD40disn (N = 1-；3)。对3个第二级数字滤波值进行平均值运算，平均值为作为第三级数字滤波值输出。该滤波值也作为按键感应信号值ADkey。为了实现对按键感应信号值ADkey的动态跟踪，可以采用滑动窗口动态跟踪的方法。如上文所述，每IOms进行12次数据采集，并利用120ms内采集的数据可以计算出一个 ADkey ；通过滑动窗口动态跟踪方法，每隔10ms，将第一个IOms中采集的数据去掉，将下一个 IOms中采集的数据重新作为一个IOms采集的数据，依此类推重新排列之前采集的数据，并将最近IOms采集的数据进入作为最后一个IOms内采集的数据，重新计算ADKEY。这样进行动态跟踪，保证了检测的可靠性、实时性和准确性，最大程度地避免和减少了干扰对按键感应信号值检测的影响。感应按键基准值计算模块2133d计算电容触摸按键20未被按下时的感应按键基准值ADben，以感应按键基准值ADben作为判断电容触摸按键20是否被按下的基准。具体计算方法是在上电复位时，也即电容触摸按键20未被按下时，采集16个第二级数字滤波值， 记为AD4c1disn (N = 1-16)。计算这16个第二级数字滤波值的平均值作为初始基准值AD64tlmstl ； 在确定了初始基准值AD_ms(l2后，即随着运行时间的增加，每隔40ms，将最新获得的第二级数字滤波值作为AD4tlmsmw,按如下公式计算ADbm ADben = (AD40msl+AD40ms2+AD40ms3+......AD40msN+AD40msnew-AD640ms0) /16 (N = 1 16)其中，对ADbm的计算也利用滑动窗口动态跟踪的方法进行跟踪；即每隔40ms，第一个40ms的第二级数字滤波值被去掉，将下一个40ms的第二级数字滤波值重新作为一个 40ms采集的数据，依此类推重新排列之前采集的数据，并将最近40ms采集的数据进入作为最后一个第二级数字滤波值，重新计算ADbm。通过动态跟踪，也保证了感应按键基准值计算的可靠性、准确性和实时性，最大程度避免了干扰对感应按键基准值计算的影响，同时也能消除由于长时间使用之后，电容触摸按键20的表面灰尘积累以及电路杂散电容值变化等因素对感应按键灵敏度的影响。按键判断模块2133e比较所述按键感应信号值ADkey和感应按键基准值ADben，判断所述电容触摸按键20是否按下，从而生成按键检测信号ADO或ADf。所述按键感应信号值 ADkey反映了电容触摸按键20的电容量。其中，如果人体手指或者触摸笔不接触感应电极， 即Cf为0，Co保持不变，此时获得的按键感应信号值记为ADketo，这时ADketo与感应按键基准值ADben相差不大。如果人体手指或触摸笔接触感应电极201生成触摸感应电容Cf，就会改变(Cf+Co)的值，此时生成的按键感应信号值记为ADKEYf，会与感应按键基准值ADben有较大的不同。因而，通过比较按键感应信号值ADkey和感应按键基准值ADbm能够达到侦测按键动作的目的。按键判断模块213 对按键感应信号值ADkey和感应按键基准值ADbm进行双阈值比较，具体包括如果连续8个按键感应信号值ADkey比感应按键基准值ADben大于1个A/D转换单位值以上，则判断电容触摸按键20未按下，按键判断模块213 生成按键检测信号ADO ；如果连续8个按键感应信号值ADkey比感应按键基准值ADben小于5个A/D转换单位值以上，则判断电容触摸按键20按下，按键判断模块213 生成按键检测信号Adf ；在电容触摸按键20被按下之后，如果连续8个按键感应信号值ADkey比感应按键基准值ADben小于不足3个A/D转换单位值，则判断电容触摸按键20已经释放，按键判断模块213 重新生成按键检测信号ADO。综上所述，本实用新型的电容式感应按键及其按键检测方法利用了“电容电荷转移”的工作原理，电路结构简单，可靠性强，滤除干扰，达到了侦测按键的目的，可以广泛适用于各种电子电器产品。以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
权利要求1.一种电容式感应按键，其特征在于，包括电容触摸按键00)以及微处理器；其中所述电容触摸按键OO)具有感应电极O01)；感应电极O01)连接所述微处理器； 微处理器通过输入/输出端口(210)连接电容触摸按键(20)，对所述电容触摸按键OO)反复充放电并检测所述感应电极O01)的触摸感应电容(Cf)，生成按键检测信号 (ADO, ADf)。
2.根据权利要求1所述的电容式感应按键，其特征在于，所述微处理器进一步包括电容电荷转移电路011)，对所述电容触摸按键00)及微处理器的寄生电容(Ch) 反复充放电和电荷转移；模数转换器012)，反复采样获得电荷转移后电容触摸按键00) 的若干对输入信号值(ADl，ADh)；数字处理模块013)，对反复采样保持模数转换器转换后所获得的所述若干对输入信号值(AD1，ADh)进行寄存、差分比较运算、数字滤波和双阈值比较，取得按键检测信号(AD0，ADf)。
3.根据权利要求2所述的电容式感应按键，其特征在于所述电荷转移电路(211)包括第一充放电端子(RAO)，第一控制开关(Kl)，第二充放电端子(RAl)，第二控制开关(K2) 以及电荷转移开关(KO)；其中第一充放电端子(RAO)通过所述第一控制开关(Kl)连接所述电容触摸按键00)；第二充放电端子(RAl)通过第二控制开关(以)连接微处理器的寄生电容(Ch)；电荷转移开关(KO)连接所述电容触摸按键00)和所述寄生电容(Ch)并控制二者的电荷转移。
4.根据权利要求2所述的电容式感应按键，其特征在于，所述数字处理模块(213)包括寄存器(2131)，寄存经反复采样保持模数转换器(21 转换后所获得的所述输入信号值 (ADl,ADh)；差分比较运算模块(2132)，对反复采样保持模数转换器(21 转换后所获得的若干对所述输入信号值(ADl，ADh)进行差分比较运算得到若干个差分信号(ADn)；数字滤波和按键判断模块(2133)，对所述若干个差分信号(ADn)进行数字滤波以及双阈值比较获得所述按键检测信号(AD0，ADf)。
5.根据权利要求4所述的电容式感应按键，其特征在于，所述差分比较运算模块 (2132)对若干对模数转换器(21 转换后的输入信号(ADh，ADl)进行差分比较运算获得若干个差分信号(ADn)。
6.根据权利要求4所述的电容式感应按键，其特征在于，所述数字滤波和按键判断模块包括第一级数字滤波器0133a)、第二级数字滤波器013 )、第三级数字滤波器 0133c)、感应按键基准值计算模块0133d)以及按键判断模块013 ),其中第一级数字滤波器(2133a)对第一时间间隔内的若干个差分信号(ADn)进行去最大、 最小值和平均值运算，获得第一级数字滤波值；第二级数字滤波器(2133b)对第二时间间隔内获得的多个第一级数字滤波值进行去最大、最小值和平均值运算，获得第二级数字滤波值；第三级数字滤波器(2133c)对第三时间间隔内获得的多个第二级数字滤波值进行平均值运算，获得第三级数字滤波值，作为按键感应信号值(ADkey)；感应按键基准值计算模块(2133d)计算电容触摸按键00)未被按下时的感应按键基准值(ADbm)；按键判断模块013 )比较所述按键感应信号值(ADkey)和感应按键基准值(ADben)，判断所述电容触摸按键00)是否按下，生成按键检测信号(AD0、ADf)。
专利摘要本实用新型涉及一种电容式感应按键。所述电容式感应按键包括电容触摸按键(20)以及微处理器(21)；其中所述电容触摸按键(20)具有感应电极(201)；感应电极(201)连接所述微处理器(21)；微处理器(21)通过输入/输出端口(210)连接电容触摸按键(20)，对所述电容触摸按键(20)反复充放电并检测所述感应电极(201)的触摸感应电容(Cf)生成按键检测信号(AD0，ADf)。所述电容式感应按键及其按键检测方法采用了“电容电荷转移”的工作原理，简化了电路结构，增加了产品可靠性，成本降低，灵敏度高，抗干扰，适用于各种电子电器产品。
文档编号H03K17/96GK201956996SQ201120010238
公开日2011年8月31日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者丁央舟, 吴金炳, 周荣, 惠滨华, 谌清平, 陆健 申请人:苏州路之遥科技股份有限公司