一种提高电容感应按键灵敏度的按键电路、其补偿电路及其补偿方法
【专利摘要】本发明公开了一种按键，尤其涉及一种电容感应按键电路、其补偿电路及其补偿方法。为了克服现有技术中存在的不能全面地消除环境因素对按键灵敏度的影响及不能对按键灵敏度进行自动连续地调节的缺陷，本发明提供了如下电容感应按键电路：至少一个按键，与每个按键相应的感应电极，控制器MCU；其特征在于还包括至少一个用于分别检测每个感应电极与地之间存在的寄生电容的补偿电极及与每个补偿电极相应的补偿电路，每个补偿电路分别用于对检测到的相应的补偿电极的信号进行放大，控制器MCU利用补偿电路输出的补偿信号对控制器MCU检测到的电容值信号进行补偿，以获得按压按键所产生的感应电容值信号。
【专利说明】一种提高电容感应按键灵敏度的按键电路、其补偿电路及其补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种按键，尤其涉及一种电容感应按键电路、其补偿电路及补偿方法。【背景技术】
[0002]很多电子设备都设置有按键，现有技术中存在两种不同工作原理的按键，一种是机械式结构的按键，这种按键尽管价格便宜，但按压易损，故障率较高，返修存在时间与金钱成本。另一种是电容感应按键，电容感应按键的基本原理如图1所示，当人体(手指)接触金属感应电极的时候，由于人体相当于一个接大地的电容，因此会在感应电极和大地之间形成一个电容，感应电容量通常有几PF到几十pF。利用这个基本原理，在外部搭建相关电路，就可以根据这个电容量的变化，检测是否有人体接触金属感应电极。灵敏度是按键非常重要的性能参数，虽然与机械式按键相比电容感应按键灵敏度更高，使用寿命更高，但是电容感应按键也存在着一些缺点，如电容变化量小，容易受到周围温度、湿度、表面玷污等因素的影响，在现有的很多设置有电容感应按键的电子设备中由于受到周围干扰信号的影响按键的灵敏度达不到理想的要求。现有技术中通常在一定环境下选择一个合适的灵敏度调节电容容量，利用电容感应按键控制芯片上电自校准及软件在上电前进行调节等方式来实现。但是很多实验表明在已经调整好灵敏度电容容量的电容感应按键装置中，当温度、湿度、电容感应按键感应面的性质等发生变化时，当前的电容容量就不能提供适合的灵敏度，这就需要重新调整电容感应按键的灵敏度电容容量，这时通常需要对系统重新上电、拆卸下电路板来更换合适的灵敏度电容，以达到合适的灵敏度。
[0003]为了解决上述问题，已经授权的实用新型(CN201294510Y)公开了一种触摸按键装置，其包括灵敏度调节信号单元，MCU，触摸按键控制芯片，灵敏度调节装置，电子开关，调节指示灯，触摸按键感应面；灵敏度调节信号单元与MCU相连，MCU通过灵敏度调节装置与触摸按键控制芯片相连，MCU通过电子开关与触摸按键控制芯片相连，调节指示灯与MCU相连，MCU通过触摸按键控制芯片与触摸按键感应面相连。其中灵敏度调节信号单元的输出信号可以是遥控器的控制信号或湿度传感器的输出信号。灵敏度调节装置由模拟多路选择器和电容构成，模拟多路选择器连接不同容量的电容，针对不同的环境条件，模拟多路选择器连接的各个不同容量的电容用以保证触摸按键在不同的环境条件下的适宜灵敏度。例如模拟多路选择器连接4个档位的电容，以适应不同环境条件下，触摸按键对适宜灵敏度的需求。MCU根据灵敏度调节信号，向模拟多路选择器发送选择电容档位的选择指令，模拟多路选择器根据MCU的选择指令，接通所选择的电容。如果需要更精确的灵敏度调节，则设定较多个档位的电容，每个档位的电容差值设定得小一些即可。当MCU对灵敏度调节装置发出指令时，MCU同时对电子开关发出指令，电子开关截断触摸按键控制芯片的供电，并对模拟多路选择器发出相应的指令选择合适电容档位，待调节完成后，MCU控制电子开关导通触摸按键控制芯片的供电，使触摸按键装置正常工作。另外，当进行触摸按键灵敏度调节时，MCU点亮调节指示灯，完成灵敏度调节以后，MCU熄灭调节指示灯。虽然该实用新型的触摸按键可在系统不断电的情况下大范围的自动调整按键灵敏度，同时避免了对系统进行断电并拆卸电路板来更换灵敏度电容的不便，也提高了同一电路板的可适用范围，避免了为不同环境生产不同印制板的情况。但是该实用新型的方案存在如下两个不足:一是对于干扰因素只是考虑了环境湿度的改变，二是不能自动连续地进行调节，使触摸感应按键的灵敏度始终保持在设定的位置。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的以上缺点，本发明提供了一种电容感应按键电路，包括:至少一个按键，与每个按键相应的感应电极，控制器MCU;其特征在于还包括至少一个用于分别检测每个感应电极与地之间存在的寄生电容的补偿电极及与每个补偿电极相应的补偿电路，每个补偿电路分别用于对检测到相应的补偿电极的信号进行放大，控制器MCU利用补偿电路输出的补偿信号对控制器MCU检测到的电容值信号进行补偿，以获得与按压按键所产生的感应电容值信号。
[0005]本发明还提供了用于对检测到的补偿电极的信号进行放大的补偿电路，该补偿电路包括:补偿电极，运算放大器，电阻R1，电阻R2 ;其中运算放大器的一个输入端与补偿电极的输出端相连，另一个输入端连接在电阻Rl与电阻R2的连接点之间，电阻Rl的另一端接地，电阻R2的另一端与运算放大器的输出端相连，运算放大器的输出端连接至控制器MCU 的 I/O 端 口。
[0006]本发明还提供了一种电容感应按键灵敏度的补偿方法，该方法包括如下步骤:在按键电路中与每个按键对应设置一个补偿电极用于检测每个按键的感应电极与地之间存在的寄生电容，将检测到的补偿电极的信号进行放大并通过控制器MCU的I/O端口发送给控制器MCU，控制器MCU将控制器MCU检测到的电容值信号与接收到的上述经放大的补偿电极信号进行差分运算，将差分运算的结果与预定的阈值进行比较，如果差分运算的结果大于等于预定的阈值，则控制器MCU判断该按键被按压。
[0007]由于本发明的电容式触摸按键具有对产生的寄生电容进行补偿的电路，从而能够对周围温度、湿度、表面玷污等因素产生的干扰进行补偿，保证按键的灵敏度不受环境的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1现有技术中电容感应按键基本原理示意图；
[0009]图2 Ca)和2 (b)电容感应按键的补偿原理；
[0010]图3电容感应按键补偿电极；
[0011]图4电容感应按键补偿电路。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0013]图2 (a)和2 (b)示出了本发明电容感应按键的补偿原理。本发明人发现，如图2 (a)和2 (b)所示，电容感应按键灵敏度受到周围温度、湿度等因素影响的大小可以通过感应电极与地之间存在的寄生电容Cp来表征。当手指触摸感应电极时，不仅会产生感应电容Cf，还会产生寄生电容Cp，控制器MCU检测到的电容Cs不仅是感应电容Cf，实际上应该是感应电容Cf与寄生电容Cp之和，即Cs = Cf + Cp。当手指按压按键时，按压与感应电容Cf存在着对应的关系，但是由于寄生电容Cp的大小受到周围温度、湿度等因素变化的影响，在不同的环境下控制器MCU检测到的电容Cs并不一定相同，这导致控制器MCU在判断按键是否被按压时按键的灵敏度受到影响，控制器MCU对按键是否被按压有时会做出错误的判断。
[0014]基于 上述发现，本发明设计了如图3所示的电容感应按键补偿电极图。如图3所不，一系列触摸按键分布在PCB印刷电路板上,与每个触摸按键相应的具有一感应电极和一补偿电极，补偿电极与一补偿电路(图中的运放)相连，并且每个补偿电路的输出信号分别通过I/O端口与控制器MCU相连，在控制器MCU中进一步进行相关数据的处理。
[0015]本发明的电容感应按键补偿电路的电路原理图如图4所示。该补偿电路包括:运算放大器UlA,其一个输入端与补偿电极的输出端相连,另一个输入端连接在电阻Rl与电阻R2的连接点之间，电阻Rl的另一端接地，电阻R2的另一端与运算放大器UlA的输出端相连，运算放大器UlA的输出端连接至控制器MCU的I/O端口。进一步地，电阻Rl和电阻R2可以采用1ΚΩ的电阻。优选地，运算放大器可以采用型号例如为AD822AN的放大器，放大器的放大倍数可调以满足实际的需要。进一步地，控制器MCU将其检测到的电容值信号与补偿电路的输出信号进行差值运算，并将差值计算结果与一预定的阈值进行比较，如果差值计算结果大于等于所述预定的阈值，则判断按键被按压，否则，则判断按键没有被按压。通过对电容感应按键进行如上所述的补偿，能够消除由于不同环境下寄生电容Cp的不同所产生的按键灵敏度改变的问题，保证控制器MCU依据手指按压来判断按键是否被按压，从而保证了按键的灵敏度。
[0016]本发明还提供了电容感应按键的补偿方法，该方法包括如下步骤:在按键电路中与每个按键对应设置一个补偿电极用于检测每个按键的感应电极与地之间存在的寄生电容，将检测到的补偿信号进行放大并通过控制器MCU的I/O端口发送给控制器MCU，控制器MCU将其检测到的电容值信号与接收到的上述经放大的补偿信号进行差分运算，将差分运算的结果与预定的阈值进行比较，如果差分运算的结果大于等于预定的阈值，则控制器MCU判断该按键被按压。进一步地，如果差分运算的结果小于预定的阈值，则控制器MCU判断该按键没有被按压。
[0017]需要说明的是，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域的技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
【权利要求】
1.一种电容感应按键电路，包括:至少一个按键，与每个按键相应的感应电极，控制器MCU;其特征在于还包括至少一个用于分别检测每个感应电极与地之间存在的寄生电容的补偿电极及与每个补偿电极相应的补偿电路，其中每个补偿电路分别用于对检测到的相应的补偿电极的信号进行放大，控制器MCU利用补偿电路输出的补偿信号对控制器MCU检测到的电容值信号进行补偿，以获得按压按键所产生的感应电容值信号。
2.如权利要求1所述的电容感应按键电路，其特征在于，每个补偿电路包括:补偿电极，运算放大器，电阻R1，电阻R2 ;其中运算放大器的一个输入端与补偿电极的输出端相连，另一个输入端连接在电阻Rl与电阻R2的连接点之间，电阻Rl的另一端接地，电阻R2的另一端与运算放大器的输出端相连，运算放大器的输出端连接至控制器MCU的I/O端口。
3.如权利要求2所述的电容感应按键电路，其特征在于:控制器MCU将控制器MCU检测到的电容值信号与接收到的运算放大器输出的补偿信号一起进行差值运算，并将差值运算的结果与一预定的阈值进行比较。
4.如权利要求3所述的电容感应按键电路，其特征在于:当差值运算的结果大于等于一预定的阈值时，控制器MCU判断按键被按压，当差值运算的结果小于一预定的阈值时，控制器MCU判断按键没有被按压。
5.如权利要求1-4任意一项所述的电容感应按键电路，其特征在于:该运算放大器的放大系数可调。
6.一种电容感应按键灵敏度的补偿电路，包括:补偿电极，运算放大器，电阻R1，电阻R2,其中运算放大器的一个输入端与补偿电极的输出端相连,另一个输入端连接在电阻Rl与电阻R2的连接点之间，电阻Rl的另一端接地，电阻R2的另一端与运算放大器的输出端相连，运算放大器的输出端 连接至控制器MCU的I/O端口。
7.如权利要求6所述的补偿电路，其特征在于:控制器MCU将接收到的控制器MCU检测到的电容值信号与运算放大器输出的补偿信号一起进行差值运算，并将差值运算的结果与一预定的阈值进行比较。
8.如权利要求7所述的补偿电路，其特征在于:当差值运算的结果大于等于一预定的阈值时，控制器MCU判断按键被按压，当差值运算的结果小于一预定的阈值时，控制器MCU判断按键没有被按压。
9.如权利要求6-8任意一项所述的补偿电路，其特征在于:该运算放大器的放大系数可调。
10.一种电容感应按键灵敏度的补偿方法，该方法包括如下步骤:在按键电路中与每个按键对应设置一个补偿电极用于检测每个按键的感应电极与地之间存在的寄生电容，将检测到的补偿电极的信号进行放大并通过控制器MCU的I/O端口发送给控制器MCU，控制器MCU将控制器MCU检测到的电容值信号与接收到的上述经放大的补偿电极信号进行差分运算，将差分运算的结果与预定的阈值进行比较，如果差分运算的结果大于等于预定的阈值，则控制器MCU判断该按键被按压。
11.如权利要求10所述的补偿方法，其特征在于:如果差分运算的结果小于预定的阈值，则控制器MCU判断该按键没有被按压。
【文档编号】H03K17/14GK103905024SQ201210580876
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】张娜 申请人:北京谊安医疗系统股份有限公司