基于充放电原理的电容式触摸按键设计
一种简单的电容式触摸按键实现方法
一种简单的电容式触摸按键实现方法柴智，贾卫华（厦门芯阳科技股份有限公司）摘要：本文介绍了一种基于检测电容充电时间长度的触摸按键实现方法。
该方法通过采用触摸时产生的电容影响充电电量的方法改变了对充电电流的依赖。
通过将充电过程直接与计数周期结合的方法，降低了对计数频率稳定性的要求。
该方法结构简单，设计方便，调整灵活，适合替代各种常规按键使用。
关键字：触摸按键；充电电量；降低依赖A Simple Realization Method of Capacitive Touch KeyCHAI Zhi,JIA Wei-hua（Xiamen CHISPUN Science and Technology Co.,Ltd.）Abstract：This paper introduces a touch button implementation method based on detecting the charging time of ca-pacitor.This method changes the dependence on the charging current by using the method that the capacitance gen-erated when touching affects the charging quantity.By combining the charging process with counting period directly, the requirement of counting frequency stability is reduced.The method has the advantages of simple structure,conve-nient design,flexible adjustment and is suitable for replacing various conventional buttons.Key words：Touch key;Charging capacity;Reduce dependence引言随着电子产品的交互体验的更新迭代，电容触摸按键正扮演着重要的角色，尤其是在家用电器领域，诸如遥控器、开关、电磁炉、电饭锅、洗衣机等电器设备。
电容式触摸按键原理
电容式触摸按键原理
电容式触摸按键是一种通过感应触摸物体的电容值来实现触发动作的技术。
它基于电容效应原理，即当两个电极之间存在电容时，触摸这些电极会改变其电容值。
这种按键通常由两个电极组成：一个触摸电极和一个地电极。
触摸电极常常是一个平面的金属片，而地电极则是一个用于悬浮触摸电极上方的导体。
当没有触摸时，两个电极之间的电容值较高。
但一旦有物体触摸到触摸电极上，物体与触摸电极之间形成了一个电场耦合。
这个电场耦合导致电容值降低，进而触发了按键。
具体来说，内部电路会不断测量电容值，并与设定的阈值进行比较。
当电容值超过阈值，就会判断为触摸操作。
这时，按键控制器会发送一个信号，实现所需的功能，比如触发一个开关动作或发送一个指令。
电容式触摸按键的优势在于不需要实际的物理运动，因此寿命更长、耐用性更强。
此外，它还可以实现一些高级功能，比如多点触控和手势识别。
由于这些优点，电容式触摸按键已经广泛应用于各种电子设备中，如智能手机、平板电脑、家电等。
触摸按键原理及设计要点
機構設計重點
C 由于感應電極與面板接觸點之間無法有 空隙，所以機構設計上必須考慮將感應驗 路板直接黏貼在外殻面板的内側， 以及考 慮面板的組裝方式。
機構設計重點
D 同様的， 感應電極與手指之間無法有金 屬層夾在中間， 所以面板上不可以有金屬 電鍍及含金屬超過15% 的噴漆等會形成導 電層的設計。 E 如果必須電鍍或高 金屬含量漆，請在按 鍵區域的邊緣保留一 圈不要電鍍或噴漆， 用以隔絶其他感應開 關。
PCB LAYOUT的重點
◆ 電源： 對感應IC 進行獨立電源供應， 其電 源系統和其他的部分的電源供應系統進行隔離。 ◆ 使用不同的IC ， LAYOUT 時還有一些各自特 殊的要求。
機構設計重點
A 面板的材質必須是塑料，玻璃，等非導 電物質。 B 在機構設計階段同時也必需設計作業流 程， 以選取合適的産品， 如果是按鍵的 産品，考慮是否有複合按鍵的設計，或綜 合滑動作業及按鍵作業等， 如果是滑動作 業的産品，就必須考慮是否需要切割出按 鍵。
機構設計重點
H 如果感應電路板後面有大片金屬或電路板，必 須保留若乾空隙， 以避免靈敏度降低或干擾感應 電極，是金屬板，金屬板必須接地， 空隙保留至 少0.3mm 以上， 如果是電路板，儘量减少高頻電 路經過，并保留至少1.0mm 的空隙。 I 有上述狀况的感應電路板，雖然保留了足够的 間距， 如果可將感應電極加大， 以利後續調整 靈敏度的步驟。
PCB LAYOUT的重點
◆ 感應PAD ： 如果是單面板，感應電極的附近不 要有高頻綫路，也不要有鋪地綫，或是銅面較寬 的綫路，鄰近的感應電極請間隔1mm以上。如果選 用的IC 具有AKS 功能請儘量用此功能以减少鄰近 的感應電極相互干擾，如果選用的IC 没有AKS 功 能，在感應電極之間加一條（ 0.254mm ）地綫也 可以减少鄰近感應電極的干擾。如果需要减少來 自感應電極下方的感應或是干擾源的干擾而需用 鋪地綫隔離，請用網格狀鋪銅，網格1.27mm以上 格綫用0.254mm以下的寬度。
电容式触摸感应按键技术原理及应用
电容式触摸感应按键技术原理及应用电容式触摸感应按键技术原理及应用2010-05-26 12:45:02| 分类：维修| 标签：|字号大中小订阅市场上的消费电子产品已经开始逐步采用触摸感应按键，以取代传统的机械式按键。
针对此趋势，Silicon Labs公司推出了内置微控制器(MCU)功能的电容式触摸感应按键(Capacitive Touch Sense)方案。
电容式触摸感应按键开关，内部是一个以电容器为基础的开关。
以传导性物体（例如手指）触摸电容器可改变电容，此改变会被內置于微控制器内的电路所侦测。
电容式触摸感应按键的基本原理◆Silicon Labs 现提供一种可侦测因触摸而改变的电容的方法电容式触摸感应按键的基本原理就是一个不断地充电和放电的张弛振荡器。
如果不触摸开关，张弛振荡器有一个固定的充电放电周期，频率是可以测量的。
如果我们用手指或者触摸笔接触开关，就会增加电容器的介电常数，充电放电周期就变长，频率就会相应减少。
所以，我们测量周期的变化，就可以侦测触摸动作。
具体测量的方式有二种：(一)可以测量频率，计算固定时间内张弛振荡器的周期数。
如果在固定时间内测到的周期数较原先校准的为少，则此开关便被视作为被按压。
(二)也可以测量周期，即在固定次数的张弛周期间计算系统时钟周期的总数。
如果开关被按压，则张弛振荡器的频率会减少，则在相同次数周期会测量到更多的系统时钟周期。
Silicon Labs推出的C8051F9xx微控制器(MCU)系列，可通过使用芯片上比较器和定时器实现触摸感应按键功能，连接最多23个感应按键。
而且无须外部器件，通过PCB走线/开关作为电容部分，由内部触摸感应按键电路进行测量以得知电容值的变化。
◆以Silicon Labs的MCU实现触摸感应按键利用Silicon Labs其它MCU系列，仅需搭配无源器件，即可实现电容式触摸感应按键方案。
与C8051F93x-F92x方案相比，唯一所需的外部器件是(3+N)电阻器，其中N是开关的数目，以及3个提供反馈的额外端口接点。
电容式触摸按键的设计与实现(软件部分)
学校代码: 11059学号: 0805070076Hefei University毕业论文(设计 B A CH ELO R D IS S ERTATIO N论文题目:电容式触摸按键的设计与实现(软件部分学位类别:工学学士学科专业:自动化作者姓名:贾克慎导师姓名:储忠完成时间: 2012-5-24电容式触摸按键的设计与实现(软件部分中文摘要当今,自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展,在便携式媒体播放器和移动手持终端等大容量、高可视性产品的应用中,触摸式按键作为一种接口技术已被广泛采用。
由于具有方便易用,时尚和低成本的优势,越来越多的电子产品开始从传统的机械按键转向触摸式按键。
在触摸按键技术方面,目前主要可分为电阻式触摸按键与电容式感应按键。
由于电阻式的触摸按键需要在设备表面贴一张触摸电阻薄膜, 其耐用性较低;而电容感应按键技术具有在非金属操作面板上无须开孔处理、防水防污、易清洁、无机械开关磨损而寿命长等优点。
本论文通过分析电容式触摸感应技术,研究人体触摸算法,设计出基于PIC单片机的电容式触摸按键系统。
根据系统的要求完成了整体方案设计,在所设计的控制方案里对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。
本论文主要介绍软件部分,并将系统软件分为:系统初始化模块、按键识别模块、LCD显示模块、高优先级和低优先级中断服务程序模块。
首先将各个模块进行分析研究,然后进行软硬件联合调试,最后完成该毕业设计所要求的内容。
关键词:电容式触摸感应;模块化;调试;PIC16F1937Design and implementation of capacitive touch keysAbstractNowadays,automatic control systems have been widely used and developed in Every aspect of life,the applicatio n of portable media players and mobile handsets, such as large-capacity, high-visib ility products, the touch buttons as an interface techno logy has been widely adopted. Easy to use, stylish and low-cost advantage, more and more electronic products began to shift fro m the traditio nal mechanical b uttons with to uch button.Touch-button techno logy can be divided into resistive touch butto ns and capacitive sensing buttons. Resistive touch keys touch the surface of the device is attached a resistive film, the lower its d urability; Capacitive sensing key technolo gies has a hand le on the panel o f no n-metallic operating without opening, watering pollution, easy to cleaning, non-mechanical switches wear long life advantages.In this paper, by analyzing capacitive touch sensing techno logy and studying human touch algorithm, we finish the design of capacitive touch b utton system ba sed on PIC microcontroller. According to the requirements of the system we complete the overall design of the control system,in which hardware and software design are discussed in detail. This paper mainly introduces the software part, which is divided into four modules: the system initialization module, the key recognition module, LCD display module, a high priority and low priority interrupt service routine module. First do analysis and stud y on every module. Then co mb ine hardware with so ftware and debug. Finally comp lete the g raduatio n design’s requiremen ts.KEY WORD:Capacitive touch sensing;Modular design;Debugging; PIC16F1937目录第一章前言 (11.1 系统简介 (11.2 课题的研究背景 (11.3 课题研究现状与发展趋势 (1 1.4 课题研究的内容 (21.5 本章小结 (2第二章系统设计 (32.1 设计任务 (32.1.1 电容触摸感应技术的分析 (3 2.1.2人体触摸检测算法的研究 (5 2.2 总体方案分析 (52.2.1中央处理模块 (62.2.2电源转换电路 (62.2.3信息显示模块 (62.3 系统功能结构及组成 (62.3.1 系统功能结构 (62.3.2 系统组成 (72.4 本章小结 (7第三章系统软件设计 (83.1 软件设计思想 (83.1.1按键检测思想 (83.1.2 各个显示模块设计思想 (10 3.2 主处理程序设计 (103.3 按键设计模块 (143.3.1 按键识别 (143.3.2 按键的程序框图 (153.4 显示模块程序设计 (183.4.3 LCD显示模块 (183.5 软件开发环境介绍 (193.5.1 工程文件的建立 (193.5.2 源程序的加载 (213.5.3 源程序编译、下载 (223.6 本章小结 (23第四章硬件设计 (244.1 硬件设计原则 (244.2 电容式触摸式按键的设计 (24 4.2.1 PCB常规设计 (244.2.2电极与元件的设计 (264.2.3覆盖物 (284.2.4触摸式按键的原理 (284.3 显示模块的设计 (304.4 段式液晶驱动HT1621 (304.5 本章小结 (32第五章系统测试 (33第六章总结 (37参考文献 (38致谢 (40附录A系统原理图 (41附录B 系统PCB布线图 (42附录C 实物图片 (43附录D 程序代码 (44第一章前言在便携式媒体播放器和移动手持终端等大容量、高可视性产品的应用中,触摸式按键作为一种接口技术已被广泛采用[1]。
TouchKey的原理及应用
TouchKey的原理及应用TouchKey是一种基于电容检测原理实现的触摸按键。
触摸按键相对于传统的机械按键没有任何机械部件，不会磨损，使用寿命长、产品外表面可以设计成一体化面板，更易防水、更易清洁；产品外观设计及批量生产更轻松；高端产品的象征，提升产品档次；CH554芯片内置6通道独立TouchKey检测模块，通道之间采用互电容方式可最多支持15个触摸按键，其内部依靠一个不断充电放电的RC张弛振荡器，如果不触摸开关，由于板上分布电容的存在，按键对地存在一定的静态电容，张弛振荡器有一个固定的充电放电周期，如果触摸开关，人体的寄生电容将耦合到这个静态电容上，使按键的最终电容值变大，充电放电周期就变长，频率则相应减少，在固定时间内检测到的周期数较原先校准的少，就认为侦测到了触摸动作。
根据充放电公式：Vc=V0*(1-e^(-t/RC))其中Vc为电容电压，V0为充电电压，R为充电电阻，C为电容容值，e为自然底数，t 为充电时间。
根据这个公式，如果电容电压Vc和充电电压V0不变，则电容C越大，充电时间将会越长。
通常，感应电极表面覆盖一个绝缘层，一是避免用户直接接触电极；二是减少外界环境对电路的影响。
在电极覆盖层厚度相同时，介电常数高的材料，灵敏度更高( 。
如果材料的介电常数在2.0~8.0之间，很适合电容传感应用。
此外为保证薄膜材料与电极完全接触，应采用粘合剂。
薄膜材料介电常数空气 1.0普通玻璃7.6~8.0陶瓷玻璃 6.0丽光板 4.6~4.9聚脂薄膜 3.2树脂薄膜 2.8ABS 3.8~4.5木制 1.2~2.5如今的触摸屏、触摸按键大行其道，而传统的机械按键，正在逐步减少。
近年来，电容式触摸感应界面技术因其操作面板的密封、坚固、无磨损，便于发挥美学创意设计等独特的优点而越来越多地被电器设备厂商所采用，触摸感应界面取代机械按键界面已经形成一种时尚潮流。
常见的应用场景如：冰箱、洗衣机、掌上电视、智能家居、电磁炉、麻将机等。
如何设计电容感应式触摸开关
如何设计电容感应式触摸开关电容感应式触摸开关，需要稳定的单火线电源处理以及稳定可靠的触摸感应芯片，做到防误触发、防各种电磁干扰、负载干扰、环境干扰、甚至需要防水防尘功能等智能触摸开关功能要求。
1.电容式传感的基本原理电容传感技术为开发人员提供了一种与用户互动的全新方式，在设计一个电容感应式触摸开关时，需要考虑许多不同的因素。
从以往的使用经验来看，在各种不同的工作条件下，开关的灵敏性必须与多种情况相兼容。
本节我们要讨论在设计电容感应式触摸开关PCB触点图形时，各种不同的排板设计对开关灵敏度的影响，包括电容式传感技术如何使器件具有更高的可靠性以及管理电容式传感技术的控制器如何通过提供更多功能为客户带来增值服务和降低维护成本。
机械开关比较容易磨损，甚至磨坏产品外壳，导致缺口或裂口处侵入污染物。
电容式传感器就不会发生损坏产品外壳的情况，也不会出现缺口粘连物，更不会出现磨损。
因此，采用这种技术的开关器件是替代多种机械开关产品的理想选择。
如下图所示，电容式开关主要由两片相邻的电路极板构成，而根据物理原理，两片极板之间会产生电容。
如果手指等导体靠近这些极板，平行电容(parallelca PAC i-tance)就会与传感器相耦合。
将手指置于电容式传感器上时，电容量会升高；移开手指，电容量则会降低，通过测量电容量就可以判断手指的碰触。
电容式传感器由两片电路极板及相互之间的一定空间所构成。
这些电路极板可以是电路板的一部分，上面直接覆盖绝缘层，当然，也可以使极板顺应各种曲面的弧度。
构建电容式开关的要素包括：电容器、电容测量电路系统、从电容值转换成感应状态的局部智能装置。
典型的电容式传感器电容值介于10～30pF之间。
通常来说，手指经由Imm绝缘层接触到传感器所形成的耦合电容介于1～2pF的范围。
越厚的绝缘层所产生的耦合电容愈低。
若要传感手指的触碰，必须实现能够检测到1%以下电容变化的电容传感电路。
增量求和调制器是一种用于测量电容的高效、简单的电路，下图给出了典型的拓扑结构。
电容式触摸感应开关设计及实现
Ｖ Ｃ Ｃ Ｖ
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徐 忠坤 ．谷瑞 华
（ 北京工业大 学 北京 １ ０ ０ １ ２ ４ ） 摘要： 传 统机械按 键存在 变形 、 易损坏 、 使 用寿命短等缺 点 ， 针对这 种情 况 。 采 用基 于 Ｃ ｏ ｄ ｅ ｘ — Ｍ３核 心 的 Ｌ Ｍ３ Ｓ 系列 ＭＣ Ｕ设计一种基 于 Ｒ Ｃ充 放 电原 理 的 简 易 电 容 触 摸 按 键 。使 用 Ｌ Ｍ３ Ｓ系列 ＭＣ Ｕ 的 ２个 管 脚 即 可 实 现 一 个 按 键 的 检
生 些 微 变 化 ，所 以 只 需 要 测 量 手 指 触 摸 前 后 电 容 值 的变 化 ． 就 可 以知 道 是 否有 按 键 被 按 下 一 般 电容 值 的 变 化 比较 小 ， 是 ｐ Ｆ级 的 变化 ， 直 接 检 测 比较 困 难 。 若 是 将 电 容 的 变 化 通 过 其 他方式表现出来 ， 则 更 加 容 易 检 测 一 些 。在 本 次 设 计 中 ， 将 电 容的变化 通过 Ｒ Ｃ充 放 电 电 路 转 化 为 充 放 电时 间 的 变 化 ， 这
第２ １卷 第 １ ９期
Ｖｏ １ ． ２１
Ｎｏ ． Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ３年 １ ０月
０ｅ ｔ ． ２０１ ３
电容 式触摸 感应开 关设计 及实现
ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｐ ｌ ｅ ｂ ｕ ｔ ｔ ｏ ｎ ｓ ， ｙ ｏ ｕ ｃ ａ ｎ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｐ ｌ ｅ ｘ ｅ ｄ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｐ ｉ ｎ ， ｉ ｔ ｃ ａ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｓ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ｎ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｏ ｕ ｃ ｈ ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｌ ａ ｙ ｏ ｕ ｔ ａ ｎ ｄ ｗｉ ｉｎ ｒ ｇ ｏ ｆ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ． Ｌ ａ ｓ ｔ Ｉ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｏ ｆ ｃ ｏ ｏ ｋ ｅ ｒ ｈ ｏ ｏ ｄ ｔ ｏ ｖ ｅ ｉ ｒ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｔ ｏ ｕ ｃ ｈ ｂ ｕ ｔ ｔ ｏ ｎ ｓ ．