电容式触摸感应按键技术原理及应用
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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。C8051F93x-F92x之外，Silicon Labs其它MCU系列可直接连接12个开关，或者通过外部模拟多路复用器连接更多开关。
设计触摸感应按键开关
因为我们要侦测电容值的变化，所以希望变化幅度越大越好。现在，有三个主要因素会影响开关电容及变化幅度。
PCB上开关的大小、形状和配置
PCB走线和使用者手指间的材料种类
连接开关和MCU的走线特性
我们测试了下图中这12种不同开关。目的是为了发现开关的形状尺寸会如何影响开关的空闲和被接触的状态，还可以发现哪一种开关的空闲电容最大，就不容易被PCB上的寄生电容而影响。测试结果表明，在特定区域中的开关越大且走线越多，则此开关的闲置电容便越高。图中的环状开关具有最低的电容，所以当开关动作时，可显现最大的电容相对变化。
◆开关的形状尺寸会如何影响开关的空闲和被接触的状态
由于开关上方的材料种类，会影响闲置电容和电容的变化率。我们还测试了玻璃、有机玻璃Mylar 聚酯薄膜、ABS塑料和FR4玻璃纤维，这几种不同材料。我们发现，尽可能使用最薄的材料，使电容变化极大化。而且，建议使用具有高介电常数的材料，例如玻璃，以增加开关的绝对电容。
总结
Silicon Labs的电容式触摸感应按键的优点很多。首先，只需要很少的微控制器开销(overhead)。设计一个开关仅需443字节码空间，每多增加一个开关仅需多增加额外的 1字节。硬件资源只需要一个比较器和定时器。还可以采用高效率算法，让微控制器可以进入低功耗模式，并能定期唤醒以侦测开关动作。总体只占用低于0.05% 的CPU资源。
其次，没有外部硬件开销。可以将开关走线直接连至MCU端口管脚，无须其它外部的反馈电阻器或电容器。
而且芯片配置也很简单。无论开关使用为何材料，完成都很容易。另外，按键的侦测，不易受到噪声和供应电压的影响。不受50/60 Hz噪声的影响，也不需要精密电压源(VDD)。
常见问答 (摘自2008年12月Silicon Labs在线座谈中的问答环节)
问题回答
问：如何调整触摸灵敏度？是设计时固定的，还是到现场可以进行调整的？答：灵敏度是通过实验来做的，客户可以对不同状况下的值进行记录，然后保存到flash中，这样实际使用时，不同状况下，系统会用不同值来工作，实现适合的灵敏度。灵敏度是设计时确定的，也可以设计成自学习型的。
问：一个开关需要一个定时器和一个比较器，多个开关是共用定时器和比较器吗？答：对于多个开关，采用一个多路复用器，就可以共同使用一个定时器和比较器了。
问：如何消除和区分电容触摸的误触摸？答：确定触摸式按键是否被按下可以通过检测频
率或者周期来实现。而消除和区别误触摸，则要
通过软件上一些校准的算法来实现。具体的信
息，可以登陆下载详细的参考应用。
问：贵公司的电容式触摸芯片有休眠功能吗？如何唤醒？答：有休眠功能，我们F9xx系列单片机支持sleep、suspend睡眠状态。可以通过IO、外部中断、比较器等唤醒。
问：和电阻式触摸按键相比，电容式触摸按键有哪些优点，是否存在不足？答：电阻式的要用A/D采样，并且人的电阻很大，采样比较困难，每个人的电阻差异也很大。抗干方面，电容式的更好一些。
问：我的手要在按键放多久才能被检测?答：人的动作是以百毫秒来计算的，而IC内部
检测是否有按键按下的时间通过数千个机器周
期就可以确定，时间等级差很多。因此基本上手
一放上去就会被检测到。
问：电容式触摸按键有没有防水防潮设计，如果使用环境在一些潮湿场所，例如啤酒生产，使用电容式触摸按键是否合适？答：你可以在"电容式触摸按键"的外面加一层塑料或其他介质进行保护。另外，当"按键"受到污染，"空闲电容，idle capactiance"变大时，你可使用算法来刷新/标定你的检测门限(重新标定时间常数，RC) 。
问：c8051F9xx可以同时监测多少路的按键动作？处理速度能达到多少？答：C8051F9xx最高速度是24.5MHz，电容感应的响应时间是由电容充放电时间决定的，即与时间常数有关。一般一个周期为1000~2000个系统时间周期/SYSCLK，故响应时间小于为2*2000*1/24.5MHz = 160uS。
人的动作为上百mS级的，MCU有足够的时间去处理按键响应。由于受到I/O口的限制，
C8051F9xx最多能做到23个按键。
为了提高按键的抗干扰能力，在绘制PCB图时
应注意哪些问题？
答：按键与单片机IO间走线需要越短越好。
为了提高按键的灵敏度和准确度，编程时应如何如何对其进行处理？答：灵敏度和准确度是相反的一组值。你必须要自己选一个中间值来平衡。
如果我想更多的了解和学习电容式触摸按键技术，请问有无相关书记和资料课提供？谢谢答：有的，我们有电容按键的参考设计，包含软硬件以及源代码。请到网站上下载应用文档，AN338 Capacitive Touch Sense Solution.pdf，也可以联系我们益登科技相关办事处，获取详细设计资料及指导。
假如我需要开发电容式触摸按键技术，请问我应该买什么开发工具和软件？答：可以购买我们提供的C8051F931-based ToolStick 与Capacitive Touch Sense，或者C8051F930DK等开发套件，套件中包含设计资料和参考代码。
基于充放电原理的电容式触摸按键设计
2010-12-20 10:41:20 来源：21ic
关键字：充放电触摸按键电容式定时计数器终止电压GPIO放电回路触摸键盘频率检测下降沿
与传统的机械式按键相比，电容式触摸感应按键美观、耐用、寿命长。电容式触摸感应按键实际只是PCB上的一小块“覆铜焊盘”，与四周“地信号”构成一个感应电容，触摸该按键会影响该电容值。现在检测电容值的方法有很多种，如电流与电压相位差检测、由电容构成的振荡器频率检测、电容桥电荷转换检测。而这里则是利用感应电容与电阻构成的RC回路，检测充放电时间的变化量，不需要专用检测电路，
成本低廉。
1 检测原理
电容式触摸按键电路的原理构成如图1所示，按键即是一个焊盘，与地构成一个感应电容，在周围环境不变的情况下电容值固定为微小值，具有固定的充放电时间，而当有一个导体向电极靠近时，会形成耦合电容，这样就会改变固有的充放电时间，而手指就是这样的导体。通过测量充放电时间的改变即可检测是否有按键被按下。充放电时间的计算公式如下：式中，t，R，C分别为充放电时间，电阻值，电容值；V1为充放电终止电压值；V2为充放电起始电压值；Vt为充放电t时刻电容上的电压值。
首先，开关在断开的状态下该按键被下拉电阻拉低，电势为0 V，这时开关闭合开始对按键充电，等充满电稳定后再断开开关，这时按键开始放电，并用定时器记录这段放电时间为t1，反复该过程。当有手指触碰按键时，放电时间会改变为t2，如图2所示，由此即可判断出手指是否触摸到该按键。
2 检测电路设计
该检测电路由MSP430F1121A作为主控制器，由JTAG接口在线仿真调试，键盘分为单个触摸按键检测和矩阵触摸按键检测两部分，如图3所示。其占用的单片机资源包括带有中断功能的GPIO口和定时计数器。
2．1 单个触摸按键检测
图3中连接单片机P2．5引脚的KeyPad与电阻R5构成一个RC充放电回路，这里由单片机的P2．5引脚控制电容的充放电，其作用相当于图1中的开关。实际的电路板中KeyPad 与周围及背面的覆铜构成电容，P2．5置为高电平，给KeyPad充电，等到稳定后将P2．5引脚置为输入，并使能中断功能，且设为下降沿触发，这时KeyPad上的电荷会由R5对地放电，多次测量放电时间，作为基准放电时间。当手指触碰时，放电时间会改变，反复实验测出合理的阈值。以后检测到放电时间超过这一阈值，则说明有按键按下。为精确测量充放电时间，要使充放电电流很小，放电的电阻在兆数量级，这里选用6．1 MΩ的电阻，MSP430引脚设为输入时的漏电流为50 nA，对放电回路可以忽略。
2．2 矩阵触摸按键检测
MSP430的P1．0～P1．3和P2．0～P2．3分别连接到PAD1～PAD4和PAD5～PAD8构成一个4x4的键盘矩阵，按键从A～P，如图3所示。两两焊盘交汇处即是一个按键。在扫描过程中如果PAD2与PAD7的扫描结果超出阈值，则说明其交汇处(即按键G)被按下。需要注意的是其充放电过程有所变化，不再是单一的电容对地放电，而是两个焊盘间互相充
放电。例如行扫描的PAD1与PAD2通过R1由引脚P1．0和P1．1互相充放电。对于PAD1的检测过程如下：1)将P1．O设为输出低电平，P1．1设为输出高电平，待稳定；2)将P1．0设置为输入并启动P1．0的上升沿触发中断功能，定时器开始计时；3)待到PAD1充电到达触发电平上限，产生中断，停止计时，算出按键1的充电时间t+；4)将P1．0设为输出高电平，P1．1设为输出低电平，待稳定；5)将P1．1设置为输入并肩动P1．0的下降沿触发中断功能，定时器开始计时；6)待到PAD1放电到达触发电平下限，产生中断，停止计时，算出按键1的放电时间t_；7)利用t+和t_求出按键1的平均充放电时间tbase，并作为基准值；8)按照步骤1)～步骤6)不断检测充放电时间t，并与基准值tbase作比较，如果其差值超出某一阈值，则可以判断有按键被按下；9)用同样的步骤计算PAD2的充放电时间，完成PAD1和PAD2的充放电扫描。10)同理，分别由PAD3和PAD4、PAD5和PAD6、PAD7和PAD8构成充放电电极对，检测其充放电时间。利用这种结构可构成规模较大的低成本触摸键盘矩阵，而不需专用芯片。电路中用充放电时间平均值代替放电时间平均值，更能增强抗干扰性。
3 软件程序设计
软件设计最主要的是基于以上步骤不断对键盘进行扫描，除此之外由于触摸按键的电容值会受环境的影响而变化，尤其是温度和湿度的影响，因此能跟踪环境变化及时校正基本充放电时间tbase很必要，整体软件设计如图4所示。
如果控制器发现很长时间内没有按键被按下(这里设为60 s)，就开始启动校正功能，重新扫描键盘，获取新的充放电时间，并作为基准值，这样可以克服环境变化带来的影响。
4 PCB设计与布局
键盘可以做成任意形状，但为尽量避免尖端放电效应，应尽可能采用圆弧形作为边缘，对于单个按键一般设计成直径10 mm的圆形，尺寸过小会使得检测信号微弱，不利于检测，尺寸过大会使未碰触时和碰触时电容量的差值降低，而设计时尽量使差异值最大化，所以按键既不能过大也不能过小。对于矩阵按键，应设计成相互交叉的手指状。各个感应盘的形状、面积应该相同，以保证灵敏度一致。各触摸按键之间应尽量远一点，以减少相互间的干扰，可用覆地隔开，通常按键与地信号间有O．5 mm的间隙，在按键的背面也覆一层地，以减少电磁干扰。触摸按键的连接线应尽量的细，不要跨越其他的信号线，尤其是高频、强干扰的信号线。
5 结束语
触摸式按键的应用越来越广泛，如何有效地降低制造成本是产品研发中必须考虑的问题，而电容式触摸按键的检测方法有多种，本论文中用到的硬件设计利用检测RC电路充放电时间的原理以判别按键是否被按下，不仅可以检测单个按键，还可以检测矩阵按键，检测电路仅由电阻电容构成的充放电回路及单片机组成，替代了专用的检测芯片，这样简单、易用，且有效地降低了硬件成本。
`电容式触摸按键 1. 电源 A.优先采用线性电源，因为开关电源有所产生的纹波对于触摸芯片来说影响比较大 B.触摸IC的电源采用开关电源时，尽量控制纹波幅度和噪声。在做电源变化时，如果纹波不好控制， 可采用LDO经行转换 C.触摸芯片的电源要与其他的电源分开，可采用星型接法，同时要进行滤波处理。 如果电源干扰的纹波比较大时可以采用如下的方式： 2.感应按键 A. 材料 根据应用场合可以选择PCB铜箔、金属片、平顶圆柱弹簧、导电棉、导电油墨、导电橡胶、导电玻璃的ITO层等 但在安装时不管使用什么材料，按键感应盘必须紧密贴在面板上，中间不能有空气间隙。 B. 形状： 原则上可以做成任意形状，中间可留孔或镂空。我们推荐做成边缘圆滑的形状，如圆形或六角形，可以避免尖端放电效应 C. 大小 最小4mmX4mm, 最大30mmX30mm，有的建议不要大于15mmX15mm，太大的话，外界的干扰相应的也会增加 D. 灵敏度 一般的感应按键面积大小和灵敏度成正比。一般来说，按键感应盘的直径要大于面板厚度的4倍，并且增大电极的尺寸，可以提高信噪比。各个感应盘的形状、面积应该相同，以保证灵敏度一致。 灵敏度与外接CIN电容的大小成反比；与面板的厚度成反比；与按键感应盘的大小成正比。 CIN电容的选择： CIN电容可在0PF～50PF选择。电容越小，灵敏度越高，但是抗干扰能力越差。电容越大，灵敏度越低，但是抗干扰能力越强。通常，我们推荐5PF～20PF E. 按键的间距 各个感应盘间的距离要尽可能的大一些（大于5mm），以减少它们形成的电场之间的相互干扰。当用PCB铜箔做感应盘时，若感应盘间距离较近（5MM～10MM），感应盘周围必须用铺地隔离。 如图：各个按键距离比较远，周围空白的都用地线隔开了。但注意地线要与按键保持一定的距离
现在市场上有不少的MP3都采用了触摸式的按键，带给消费者“飞”同寻常的操作体验，例如苹果公司的iPod系列，魅族公司的mini系列，台电的C280、新品T39以及微星的8890T。 这些触摸式操作的MP3在按键上的最大的区别是有些是只有轻轻点触就有反应并伴着或红或蓝的背光点触式触摸键，有些是要在按键上滑动才可以选择菜单而且没有背光的滑动式触摸键。 这些差别的原因是它们的工作原理不同，触摸式按键可分为两大类：电阻式触摸按键与电容式感应按键，即滑动式按键和点触式按键。 ●电阻式按键 电阻式的触摸按键原理非常类似于触摸屏技术，需要由多块导电薄膜上面按照按键的位置印制成的，因此这种按键需要在设备表面贴一张触摸薄膜。电阻式触摸屏一直由于其低廉的价格而深受厂商的喜爱，但是由于导电薄膜的耐用性较低，并且也会降低透光性，因此已经被越来越多的厂家所抛弃。 ●电容式按键 电容式触摸按键主要是为了克服电阻屏的耐用性所提出的，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。简单来说，就是一个IC控制的电路，该电路包括一个能放置在任何介质面板后的简单阻性环形电极组件，因此，按键的操作界面可以是一整块普通绝缘体（如有机玻璃一般材料都可），不需要在界面上挖孔，按键在介质下面，人手接近界面和下面的电极片形成电容，靠侦测电容量的 变化来感应。温度，静电，水，灰尘等外界因素一般不会影响，界面没有太多要求，可以加上背光，音效等，靠人手感应，整个界面没有按键的存在，便于清洁，让产品在外观上更加高档美观，由于按键没有接点，使用寿命也是非常的长久，一般来说是半永久性。
根据其原理，该按键对外观工艺方面有一些特别的要求： 1、因为按键和lens是一个整体，而按键又必须透光，所以整个Lens必须是透明件，所以一般就是用PMM A或PC； 2、Lens上不能有金属件或者带有金属效果的喷漆，以免影响按键的灵敏度； 3、按键必须做的足够的宽大，做小了很容易产生误操作。因为它不像机械式的按键，只要避免联动就可以了，它只要感应到了就产生动作。另外还要考虑到打电话的时候，按键正好贴在人脸上，也会有感应动作，需要相应的方案解决； 4、因为是一大片Lens，所以必须考虑Lens的工艺，一般为正面IML，因为背面肯定有结构。这就限制了Lens上的一些开孔的大小和Lens的厚度要求。 另外，在按键的结构上还要考虑感应PCB的贴装方式对感应效果、整机装配的影响以及按键符号的透光的解决方案。
电容式触控电路设计的七个步骤 文章来自赣州宇辉仪器设备有限公司https://www.doczj.com/doc/8d15887546.html, 中心议题： 电容式触控电路设计的七个步骤 电容式触控技术在厨房设备中的应用已经有几年了，例如在烤箱和煎锅的不透明玻璃面板后面采用分离按键实现。这些触摸控制键逐渐替代了机械按键，因为后者具有使用寿命短、不够卫生等方面的问题，而且还有在面板上开孔安装按键的相关成本，图1是电容式感应技术原理示意图。 图1 技术原理示意图 电容式感应技术由于具有耐用、较易于低成本实现等特点，而逐渐成为触摸控制的首选技术。此外，由于具有可扩展性，该技术还可以提供其它技术所不能实现的用户功能。在显示屏上以软按键方式提供用户界面，这通常被称为触摸屏。 触摸输入滚动/指示功能器件，例如iPod音乐播放器上的点击式转盘，这类器件在消费市场已经获得广泛的认可，正在逐渐出现在更多的消费设备市场。有两种基本类型的滚动器件：第一种是绝对报告类型，提供直接位置输出报告；另外一种是相对类型，这类器件提供用来增加或减少某个值的直接报告。 使用电容式感应的IC设计感应开关电路板与其它电路的开发流程略有不同，因为电容式开关的设计上会受到机构与其它电路设计上的影响，会有比较多的调整程序，所以需要一个比较复杂的开发流程，现就以出道较早且具有代表性的“Quantum ”产品的开发流程及要点介绍给大家，希望对需要的朋友有所帮助。 1.机构设计 a.面板的材质必须是塑胶，玻璃，等非导电物质。 b. 在机构设计阶段同时也必需设计操作流程，以选择合适的产品，如果是按键的产品，要考虑是否有复合按键的设计，或是综合滑动操作及按键操作等，如果
是以滑动操作的产品，就必须考虑是否需要切割出按键。 c.由於感应电极与面板接触点之间不能有空隙，所以机构设计上必须考虑将感应验路板直接黏贴在外壳面板的内侧，以及考虑面板的组装方式。 d.同样的，感应电极与手指之间不能有金属层夹在中间，所以面板上不可以有金属电镀及含金属超过15%的喷漆等会形成导电层的设计。 e.如果必须电镀或高金属含量漆，请在按键区域的边缘保留一圈不要电镀或喷漆，用以隔绝其他感应开关。 f.如果面板是有弧度而非平面，可以利用软板、弹簧、导电橡皮等导电物将感应电极延伸到面板上，并在面板内侧制造出感应电极，如果面板与感应电极之间有空隙也可以用这个方式填补空隙，或加厚感应电极区域的面板。 g.机构设计的外壳厚度会影响感应电极的大小，所以必须先完成机构设计，才能接续开发流程。 h.如果感应电路板後面有大片金属或电路板，必须保留若干空隙，以避免灵敏度降低或干扰感应电极，如果是金属板，金属板必须接地，空隙保留至少0.3mm 以上，如果是电路板，尽量减少高频电路经过，并保留至少1.0mm的空隙。 i.有上述状况的感应电路板，虽然保留了足够的间距，最好能将感应电极再加大，以利後续调整灵敏度的步骤。 j.感应电极可以用电路板铜箔来做，亦可以采用FPC软性电路板，ITO蚀ORGACON （CARBON）印刷等导电物质。 2. 决定感应电极的尺寸 a. 依照机构设计的面板厚度决定感应电极的最小尺寸，面板厚度1mm时感应电极最小3mm直径的圆，面板厚度7mm时感应电极最小10mm直径的圆，在机构及电路板空间的允许下尽量将感应电极加大。
触摸感应按键设计指南 张伟林 ２００９－１２－０９ ｓａｌｅｓ＠ｓｏｕｊｅｔ．ｃｏｍ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｏｕｊｅｔ．ｃｏｍ
1. 概述 对触摸屏与触摸按键在手机中的设计与应用进行介绍，对设计的经验数据进行总结。达到设计资料和经验的共享，避免低级错误的重复发生。 2. 触摸按键设计指导 2.1 触摸按键的功能与原理 2.1.1触摸按键的功能 触摸按键起keypad 的作用。与keypad 不同的是，keypad 通过开关或metaldome 的通断发挥作用，触摸按键通过检测电容的变化，经过触摸按键集成芯片处理后，输出开关的通断信号。 2.1.2触摸按键的原理 如下图，是触摸按键的工作原理。在任何两个导电的物体之间都存在电容，电容的大小与介质的导电性质、极板的大小与导电性质、极板周围是否存在导电物质等有关。PCB 板（或者FPC ）之间两块露铜区域就是电容的两个极板，等于一个电容器。当人体的手指接近PCB 时，由于人体的导电性，会改变电容的大小。触摸按键芯片检测到电容值大幅升高后，输出开关信号。 在触摸按键PCB 上，存在电容极板、地、走线、隔离区等，组成触摸按键的电容环境，如下图所示。 Finger Time Capacitance C
2.1.3 触摸按键的按键形式 触摸按键可以组成以下几种按键 z单个按键 z条状按键（包括环状按键） z块状按键 单个按键 条状按键块状按键 2.1.4触摸按键的电气原理图如下：
在PCB板上的露铜区域组成电容器，即触摸按键传感器。传感器的信号输入芯片，芯片经过检测并计算后，输出开关信号并控制灯照亮与否。灯构成触摸按键的背光源。 2.2 触摸按键的尺寸设计 按键可以是圆形、矩形、椭圆形或者任何其他的形状。其中以矩形和圆形应用最为普遍，如图所示： 通常在按键的中间挖空，使PCB下方的光线可以通过挖空导到PCB上方，照亮LENS上的字符。根据ADI公司的推荐，按键大小尺寸如下表： 按键的挖空尺寸与按键的大小相关，如下表
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。C8051F93x-F92x 之外，Silicon Labs其它MCU系列可直接连接12个开关，或者通过外部模拟多路复用器连接更多开关。 设计触摸感应按键开关 因为我们要侦测电容值的变化，所以希望变化幅度越大越好。现在，有三个主要因素会影响开关电容及变化幅度。 ?PCB上开关的大小、形状和配置 ?PCB走线和使用者手指间的材料种类 ?连接开关和MCU的走线特性 我们测试了下图中这12种不同开关。目的是为了发现开关的形状尺寸会如何影响开关的空闲和被接触的状态，还可以发现哪一种开关的空闲电容最大，就不容易被PCB上的寄生电容而影响。测试结果表明，在特定区域中的开关越大且走线越多，则此开关的闲置电容便越高。图中的环状开关具有最低的电容，所以当开关动作时，可显现最大的电容相对变化。
感应按键电路分析 感应按键电路分析： 感应按键是刚刚在电磁炉上运用的一种新技术，其主要特点是使电磁炉易清洁，防水性能好。目前在电磁炉上用的感应按键主要有天线感应式及电容式，我们目前用的是利用人体电容的电容式感应按键 感应按键原理如下面的图式； 感应按键电路包括信号产生、信号整形2个单元：首先由信号产生单元产生约几百KHz的高电平占空比约50%的信号；然后信号整形单元对所产生的信号进行整形，整形过程类似于开关电源工作过程；最后将信号送至MCU 的AD口。 当有人体靠近感应按键时，将会形成一个对地的电容在信号整形的高电平期间分流一部分电流，致使整形后的信号下降，并在人体离开前一直维持在下降的电位上；而当人体离开后，整流后的信号又会上升到原来的电位水平。 由于存在电路耦合及寄生电容，所以一般用下降沿和上升沿来识别感应按键的响应动作。
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电容式触摸感应IC工作原理 任何两个导电的物体之间都存在着感应电容，一个按键即一个焊盘与大地也可构成一个感应电容，在周围环境不变的情况下，该感应电容值是固定不变的微小值。当有人体手指靠近触摸按键时，人体手指与大地构成的感应电容并联焊盘与大地构成的感应电容，会使总感应电容值增加。电容式触摸按键IC在检测到某个按键的感应电容值发生改变后，将输出某个按键被按下的确定信号。电容式触摸按键因为没有机械构造，所有的检测都是电量的微小变化，所以对各种干扰会更加敏感，因此触摸按键设计、触摸面板的设计以及触摸IC的选择都十分关键。 一，触摸PAD设计 1. 触摸PAD材料 触摸PAD可以用PCB铜箔、金属片、平顶圆柱弹簧、导电棉、导电油墨、导电橡胶、导电玻璃的ITO层等。不管使用什么材料，按键感应盘必须紧密贴在面板上，中间不能有空气间隙。当用平顶圆柱弹簧时，触摸线和弹簧连接处的PCB，镂空铺地的直径应该稍大于弹簧的直径，保证弹簧即使被压缩到PCB板上，也不会接触到铺地。 2. 触摸PAD形状 原则上可以做成任意形状，中间可留孔或镂空。作者推荐做成边缘圆滑的形状，可以避免尖端放电效应。一般应用圆形和正方形较常见。 3. 触摸PAD面积大小 按键感应盘面积大小：最小4mm×4mm，最大30mm×30mm。实际面积大小根据灵敏度的需求而定，面积大小和灵敏度成正比。一般来说，按键感应盘的直径要大于面板厚度的4倍，并且增大电极的尺寸，可以提高信噪比。各个感应盘的形状和面积应该相同，以保证灵敏度一致。通常在绝大多数应用里，12mm×12mm是个典型值。
4. 触摸PAD之间距离 各个触摸PAD间的距离要尽可能的大一些（大于5mm），这样可以减少它们形成的电场之间的相互干扰。当用PCB铜箔做触摸PAD时，若触摸PAD间距离较近（5mm～10mm），触摸PAD必须用铺地隔离。如果各个触摸PAD距离较远，也应该尽可能的铺地隔离。适当拉大各触摸PAD间的距离，对提高触摸灵敏度有一定帮助。 三、触摸面板选择 1. 触摸面板材料 面板必须选用绝缘材料，可以是玻璃、聚苯乙烯、聚**乙烯（pvc）、尼龙、树脂玻璃等，按键正上方1mm以内不能有金属，触摸按键50mm以内的金属必须接地，否则金属会影响案件的灵敏度。在生产过程中，要保持面板的材质和厚度不变，面板的表面喷涂必须使用绝缘的涂料。 2. 触摸面板厚度 通常面板厚度设置在0～10mm之间。不同的材料对应着不同的典型厚度，例如亚克力材料一般设置在2mm～4mm之间，普通玻璃材料一般设置在3mm～6mm之间。 3. 双面胶 触摸按键PCB与触摸面板通过双面胶粘接，双面胶的厚度取0.1～0.15mm比较合适，推荐采用3M468MP，其厚度0.13mm。要求PCB与面板之间没有空气，因为空气的介电系数为1，与面板的介电系数差异较大。空气会对触摸按键的灵敏度影响很大。所以双面胶与面板，双面胶与PCB粘接，都是触摸按键生产装配中的关键工序，必须保证质量。
电容式感应工作原理及设计 电容式感应的工作原埋是什么呢?下面的示意图显示了1个电容式感应按钮的横截面。如图所示，在外覆层材料之下，存在导电的铜块区域和导电的传感器。在2个导电元件相互之间靠得很近时，就会产生一个电容值，本图中标为Cp，这个电容值是由于传感器垫板与接地板之间的耦合现象而形成的。Cp属于寄生电容，典型数量级任10pF至300pF。传感器与接地板靠近时也会形成一个边缘电场，这个电场能够穿透外覆层。基本上，人体组织也属于导电体。将一根手指放存边缘电场附近时，就会增加这个电容系统的导电表面面积。 但是，这个在图中标为CF的附加手指电容值的数量级在0.1pF至10pF。虽然一根于指的存在会导致电容发生变化，但与寄生电容相比，该变化的幅度是相当小的。而传感器的测得电容值称为CX。在没有手指存在的情况下，CX基本上等于CP。而在于指存在时，CX 则为CP和CF的和。 图1 手指电容值 电容式感应的设计方案 在我们了解了电容式感应的工作原理后，如何开始设计某一特定产品的电容式感应界面呢?我们重点要考虑到设计方案的需要。这个产品将用在什么地方?使用环境严苛吗?这项
设计中最重要的因素是电池的使用时间还是产品的耐久性?不同的因素对设计方案的影响也各不相同。 根据正在设计的产品类型，功耗可能是关键因素，也可能不是关键因素。例如，在由电池供电的手持设备上，功耗具有极为重要的意义。而一种对整体平均功耗即电池使用时间进行控制的方式是设立3个不同的工作区域。一个工作区域是快速响应区，这个区域内的每个传感器每200微秒扫描一次。系统会在按钮和滑动触摸处于连续操作状态下进入这一区域。在操作很少或无操作时，系统可以进入一个慢速响应区，将扫描频率减少到大约每100毫秒1次。最后，如果在很长时间内没有操作，则系统可以进入深度休眠模式，从而节省电力。通过实现节能、慢速响应模式，在便携手持设备每100秒扫描3个按钮的情况下，系统的耗电量可以低于50μA的平均电流。 在当今的电子产品领域，噪声也成为另-项重要的考虑因素。各类感应噪声，诸如来自电力线路的噪声，以及来自移动手机或日光灯的辐射噪声，无时无刻不存在，所以必须加以考虑。为了进行有效防范，我们的目标是增加信噪比，并消除虚假触摸响应。 在设计信噪比、耐久性、静电放电抵抗力以及精确度时，所选择的外覆层材料以及外覆层厚度具有很大的影响。而且，在考虑材料的类型和厚度时，必须根据产品的需要，在许多方面采取折衷方式。随着外覆层材料厚度的增加，信号和噪声两方面均会减少。但是，外覆层材料越厚，则对于静电放电的抵抗力就越强。人体的静电电压可以高达15 KV，而电容式感应系统的外覆层有助于避免集成电路在遭受此类静电放电时发生永久性损坏。另一种解决方法是，使用一层聚酰亚胺(Kapton)带，这种材料在需要超强静电放电保护的应用中能够发挥良好的作用。当然，外覆层越厚，也就越不容易破裂或者遭到破坏。
单键触摸芯片又叫单键触摸ic（1键电容式触摸开关）。阿达电子公司主要单键触摸芯片有： AR101/AR101-C/AR101-D/ADA01-B/ADA01-C。 阿达电子公司单键触摸芯片芯片（单键触摸芯片）介绍： AR101-D：AR101是一款专门针对小体积、低功耗、宽电压、高性价比而设计的电容式触摸感应IC，可直接取代传统的机械式的轻触按键：自锁式按键和非自锁式按键。 ADA01（B版）1键电容式触摸开关：ADA01（B版）是一款专用标准IC，其功能具有：单键电容式触摸开关，广泛适用于楼道电容式触摸开关、墙壁电容式触摸开关、电动马达启动开关、按摩椅用电容式触摸开关、电源电容式触摸开关、台灯电容式触摸开关、门铃电容式触摸开关、床头灯电容式触摸开关、卫生间电容式触摸开关、壁橱电容式触摸开关。 ADA01-B1键触摸延时开关：ADA01（B版）是一款专用标准IC，其功能具有：单键触摸延时开关，延时时间可调，广泛适用于楼道电容式触摸开关、墙壁电容式触摸开关、电动马达启动开关、按摩椅用电容式触摸开关、电源电容式触摸开关、台灯电容式触摸开关、门铃电容式触摸开关、床头灯电容式触摸开关、卫生间电容式触摸开关、壁橱电容式触摸开关 ADA01-C 1键触摸IC：ADA01（C版）是一款专用标准IC，其功能具有：单键电容式触摸开关，广泛适用于楼道电容式触摸开关、墙壁电容式触摸开关、电动马达启动开关、按摩椅用电容式触摸开关、电源电容式触摸开关、台灯电容式触摸开关、门铃电容式触摸开关、床头灯电容式触摸开关、卫生间电容式触摸开关、壁橱电容式触摸开关
ADA01（C版）1键触摸延时开关：ADA01（C版）是一款专用标准IC，其功能具有：单键触摸延时开关，延时时间可调整，广泛适用于楼道电容式触摸开关、墙壁电容式触摸开关、电动马达启动开关、按摩椅用电容式触摸开关、电源电容式触摸开关、台灯电容式触摸开关、门铃电容式触摸开关、床头灯电容式触摸开关、卫生间电容式触摸开关、壁橱电容式触摸开关。 AR101：工作电压：2.4V~5.5V 封装：SOT23-6 功耗：1.5uA@3v 输出信号特征:TTL(ON/OFF)，自锁式开关，可保持输出电平； TTL非自锁式开关，触摸撤离，输出恢复原有状态。应用范围:可替代传统的机械按键，可用于玩具、礼品、消费电子、灯具、家电、智能控制等。
电容触摸感应原理与应用 1．电容触摸感应基本知识 首先，人体是具有一定电容的。当我们把PCB上的铜画成如下形式的时候，就完成了一个最基本的触摸感应按键。 上图左边，是一个基本的触摸按键，中间圆形绿色的为铜（我们可以称之为“按键”），在这些按键中会引出一根导线与MCU相连，MCU通过这些导线来检测是否有按键“按下”（检测的方法多种多样，这将在后面章节中谈到）；外围的绿色也是铜，不过外围的这些铜是与GND大地相连的。在“按键”和外围的铜之间是空隙（我们可以称为空隙d）。上图右边是左图的截面图，当没有手指接触时，只有一个电容Cp ，当有手指接触时，“按键” 通过手指就形成了电容Cf 。由于两个电容是并联的，所以手指接触“按键” 前后，总电容的变化率为
C% = ((Cp+Cf)-Cp)/Cp = Cf/Cp ………………公式1 下图更简单的说明了上述原理。 2．电容感应触摸器件的参数选择 弄清楚了上述原理后很自然的就会想到下面两个问题： ①空隙d的大小应该为多少呢？即“按键”与地之间的距离为多少？d 的大小会不会影响“按键”的性能？ ②“按键”的大小应该为多少呢？它的形状、大小会不会影响“按键”的性能呢？ 为了弄清楚这两个问题，我们首先介绍公式2：
在这个公式中d就是我们所说的空隙的间距，A表示的“按键”面积的大小，C表示没有手指接触按键时电容的大小Cp。显然，空隙间距d越大，Cp越小；面积A越大，Cp越大。已知手指触摸产生的电容范围为5~15pf，这是一个非常小的容值。当Cp非常小时，公式1中的C%将会比较大，也就是说MCU更加容易检测到这个电容值的变化。基于这种考虑，对于FR4 材料的PCB（1~1.5mm 厚度）板来说我们一般选取d=0.5mm，按键的面积A一般选取成人手指大小即可。 3．电路板底层的覆铜处理 前面我们说的都是在电路板的顶层如何绘制触摸按键。下面我们来看看电路板的底层如何覆铜。 首先，在电路板底层覆铜是很有必要的，这些接地的覆铜能够最大限度的降低触摸按键的噪声以及外部环境对触摸按键的影响。对于底层覆铜的方法一般有四种：完全不覆铜、25%网格覆铜、50%网格覆铜、100%实心覆铜。
技术背景 现在电子产品中，触摸感应技术日益受到更多关注和应用，不仅美观耐用，而且较传统机械按键具有更大的灵敏度、稳定性、可靠性，同时可以大幅提高产品的品质。触摸感应解决方案受到越来越多的IC设计厂家的关注，不断有新的技术和IC面世，国内的公司也纷纷上马类似方案。Cpress公司的CapSense?技术可以说是感应技术的先驱，走在了这一领域的前列，在高端产品中有广泛应用，MCP推出了mTouch?，AT也推出了QTouch?技术，FSL推出的电场感应技术与MCP 的电感触摸也别具特色，甚至ST也有QST产品。 但是目前所有的触摸解决方案都使用专用IC，因而开发成本高，难度大，而本文介绍的基于RC充电检测（RC Acquisition）的方案可以在任何MCU上实现，是触摸感应技术领域革命性的突破。首先介绍了RC充电基础原理，以及充电时间的测试及改进方法，然后详细讨论了基于STM8S单片机实现的硬件、软件设计步骤，注意要点等。 一、RC充电检测基本原理 RC充电检测基本原理是对使用如PCB的电极式电容的充电放电时间进行测量，通过比较在人体接触时产生的微小变化来检测是否有‘按下’动作产生，可选用于任何单独或多按键、滚轮、滑条。 如图1(a)所示，在RC网络施加周期性充电电压Vin，测量Vout会得到如(b)的时序，通过检测充电开始到Vout到达某一门限值的时间tc的变化，就可以判断出是否有人体接触。图2显示出有人体接触时充电时间会变长。
实现电路如图3，使用一个I/O口对PCB构成的电容充电，另一个I/O口测量电压，对于多个按键时使用同一个I/O口充电。R1通常为几百K到几M，人体与PCB构成的电极电容一般只有几个pF，R2用于降低噪声干扰，通常为10K。 二、充电时间测量方法 对充电时间的测量可以使用MCU中定时器的捕捉功能，对于多个按键一般MCU没有足够的定时器为每个按键分配一个，也可以使用软件计时的方法，这要求能对MCU的时钟精确计数，并且保证每个周期的时钟个数保持一定。这种情况通常要求对按键使用一个独立的MCU，以保证不被其他任务中断。 为了提高系统的可靠性和稳定性，改进的测量方法是对Vout进行高和低两个门限进行测量。如图4所示，通过对t1和t2的测量，从而达到更可靠的效果。另外，多次测量也是有效的降低高频干扰的有效方法。
基于STM8的电容感应式触摸按键方案在 电磁炉中的应用 1、引言 相较于机械式按键和电阻式触摸按键，电容式触摸按键不仅耐用，造价低廉，结构简单易于安装，防水防污，而且还能提供如滚轮、滑动条的功能。但是电容式触摸按键也存在很多的问题，因为没有机械构造，所有的检测都是电量的微小变化，所以对各种干扰敏感得多。ST 针对家电应用特别是电磁炉应用，推出了一个基于 STM8系列8位通用微控制器平台的电容式触摸感应方案，无需增加专用触摸芯片，仅用简单的外围电路即可实现电容式触摸感应功能，方便客户二次开发。 2、方案介绍 ST的电容式触摸按键方案通过一个电阻和感应电极的电容CX构成的阻容网络的充电/放电时间来检测人体触摸所带来的电容变化。如图1所示，当人手按下时相当于感应电极上并联了一个电容CT，增加了感应电极上的电容，感应电极进行充放电的时间会增加，从而检测到按键的状态。而感应电极可以直接在PCB板上绘制成按键、滚轮或滑动条的应用样式，也可以做成弹簧件插在PCB板上，即使隔着绝缘层（玻璃、树脂）也不会对其检测性能有所影响。 图1 STM8S电容式触摸按键的工作原理电磁炉是采用磁场感应电流的加热原理对食物进行加热。加热时，通过面板下方的线圈产生强磁场，磁力线穿过导磁体做的锅的底部时，锅具切割交变磁力线而在锅具底部产生涡流使锅底迅速发热，达到加热食物的目的。在本解决方案中采用44pin的STM8S105S4做按键显示板的主控芯片，控制13个按键的扫描、24个LED及一个4位数码管的显示、I2C与主板的通讯，并留有一个SWIM接口方便工程师调试之用（如图2）。
图2 电磁炉按键板原理 STM8S105S4采用的是ST高级STM8内核，具备3级流水线的哈佛结构，3.0~5.5V工作电压，内部16MHz RC可提供MCU 16MHz工作频率，提供低功耗模式和外设时钟关闭功能，共有34个I/O可用。 STM8S105S4 具有2KB的RAM和16KB的FLASH，还有可达30万次擦写次数的1KB EEPROM数据存储器。 3、电磁炉工作环境中的干扰 ①电磁干扰 电磁炉在加热锅的同时，也会在电路板上感应电极正向或反向的电流，从而会缩短或增长按键充放电时间，会对按键的检测造成很大影响，甚至产生误动作，常见的方法采用硬件屏蔽和过零点检测来消除电磁辐射对按键的影响。 硬件屏蔽 在STM8S的解决方案中，ST提供了感应电极和走线的设计规范和如图3所示的Driven Shield功能（在Shield线上提供与按键管脚相同的驱动信号，电极与Shield之间的寄生电容就不会被充放电），能有效地减少感应电极走线的寄生电容对按键灵敏度的影响。 图3 Driven Shield 过零点检测
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，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弛振荡器。如果不触摸开关，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，计算固定时间弛振荡器的周期数。如果在固定时间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，即在固定次数的弛周期间计算系统时钟周期的总数。如果开关被按压，则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。C8051F93x-F92x之外，Silicon Labs其它MCU系列可直接连接12个开关，或者通过外部模拟多路复用器连接更多开关。 设计触摸感应按键开关 因为我们要侦测电容值的变化，所以希望变化幅度越大越好。现在，有三个主要因素会影响开关电容及变化幅度。 PCB上开关的大小、形状和配置
PSoC电容式触摸感应技术 PSoC是由Cypress半导体公司推出的具有数字和模拟混合处理能力的可编程片上系统芯片，某些系列的PSoC（如CY8C21X34系列），由于其内部配备的特殊资源，使得它可以很容易地实现电容式触摸感应功能，仅需少量的几个外置分立元件，可以将每一个通用的I/O都配置为电容感应输入。 电容式触摸感应原理如图1所示，电路板上两块相邻的覆铜之间存在一个固有的寄生电容Cp，当手指（或其他导体）靠近时，手指和两块覆铜之间又产生新的电容，这些电容相当于并联到原来的Cp之上，当我们把其中一块覆铜连接到PSoC的模拟I/O上，另一块连接到地上，就可以通过测量电容的变化来判断手指的存在。 我们把连接到PSoC上的覆铜称之为电容传感器（Capacitive Sensor），电容传感器上需覆盖绝缘材料（产品外壳）。通过在PSoC内部搭建电路并用内建8位处理器的程序来控制电路的运作，就可以把电容的变化转化成计数值的变化，进而转化成按键动作所需要的开关量。 P SoC内部有几种预先设计好的电容感应用户模块，用户模块可以看作是硬件电路配置与软件库函数（API）的集合，用户所需要做的就是在PSoC开发环境（PSoC designer）中将用户模块配置到数字/模拟阵列中，开发环境会自动生成硬件寄存器配置及库函数，剩下的工作就是一些用户模块参数的调整，以及应用代码的编写。整个开发过程非常直观、流畅，对于有嵌入式系统开发经验的工程师来说，很快就会得心应手。 电容式感应技术为工业设计提供新的思路 有了电容式感应技术，工业设计师首先能想到的就是把传统的机械按键换成电容式的感应开关。这增加了工业设计的灵活性，因为电容式开关可以隐藏在一块完整的表面下边，不需要像机械按键那样需要预留机械部件运动的空间。在有些便携式产品上，设计师希望能在产品上赋予自然的灵性，比如像贝壳一样的MP3播放器、像卵石一样的手机，用电容式开关取代机械按键可以在最大程度上还原设计师的构思，让产品外观有浑然天成的效果。 按键是电容式感应技术最常见的应用方式，利用PSoC内建8位处理器的运算，可以在产品上实现更为人性化的操作方式，比如滑动条（一维操作）和触摸板（二维操作）。 将多个电容传感器并排放在一起就可以实现滑动条（slider）的功能，如图2所示，PSoC按顺序感测每一个传感器的电容变化，除当前正在被感测的传感器以外，其他的传感器都在PSoC内部连接到地上，这样可以保证每个传感器的电容一致性。
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。相位开关使传感器电容向积分电容中注入电荷。该电压持续升高，直到大于参考电压为止。比较器转为高电压，使放电电阻器开始工作。在积分电压降至参考电压以下时，该电阻器停止工作。比较器提供所需的负反馈，使积分器电压与参考电压相匹配。 2．传感器充电电流 在第1阶段，传感电容（Csensor）的充电达到供电电压水平；在第2阶段，电荷被传输至积分电容(Cint)。反馈使积分电容上的电压接近参考电压（kVdd）的值。每次启动该开关组合都会传输一定量的电荷。对于下式显示的充电电流而言，电荷传输的速度与开关频率(fc)成正比 3．放电电流
设计揭秘电容感应式触摸按键方案在电磁炉中的应用 —创新网小编 作者：于洁，张建新，张醒 本文介绍意法半导体的8位STM8微控制器实现的电容感应 式触摸按键原理，以及在电磁炉应用中的触摸按键解决方案。 该方案具有低成本，环境自适应，防水及防电磁干扰等特点， 在低品质电网环境中也能可靠工作。 相较于机械式按键和电阻式触摸按键，电容式触摸按键不仅耐用，造价低廉，机构简单易于安装，防水防污，而且还能提供如滚轮、滑动条的功能。但是电容式触摸按键也存在很多的问题，因为没有机械构造，所有的检测都是电量的微小变化，所以对各种干扰敏感得多。ST针对家电应用特别是电磁炉应用，推出了一个基于STM8系列8位通用微控制器平台的电容式触摸感应方案，无需增加专用触摸芯片，仅用简单的外围电路即可实现电容式触摸感应功能，方便客户二次开发。 方案介绍 ST的电容式触摸按键方案通过一个电阻和感应电极的电容CX构成的阻容网络的充电/放电时间来检测人体触摸所带来的电容变化。如图1所示，当人手按下时相当于感应电极上并联了一个电容CT，增加了感应电极上的电容，感应电极进行充放电的时间会增加，从而检测到按键的状态。而感应电极可以直接在PCB板上绘制成按键、滚轮或滑动条的应用样式，也可以做成弹簧件插在PCB板上，即使隔着绝缘层（玻璃、树脂）也不会对其检测性能有所影响。
图1 STM8S电容式触摸按键的工作原理 电磁炉是采用磁场感应电流的加热原理对食物进行加热。加热时，通过面板下方的线圈产生强磁场，磁力线穿过导磁体做的锅的底部时，锅具切割交变磁力线而在锅具底部产生涡流使锅底迅速发热，达到加热食物的目的。在本解决方案中采用44pin的STM8S105S4做按键显示板的主控芯片，控制13个按键的扫描、24个LED及一个4位数码管的显示、I2C与主板的通讯，并留有一个SWIM接口方便工程师调试之用（如图2）。
如何设计电容式感应触摸开关 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、甚至需要防水防尘等智能触摸开关功能的要求。 1、电容式传感器的基本原理 电容传感技术为开发人员提供了一种互动的全新方式，在设计一个电容感应触摸开关时，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兼容。 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（parallelcaPACi-tance）就会与传感器相耦合。将手指置于电容传感器上时，电容量会升高；松开手指，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1mm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越低。 若要传感手指的碰触，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。 相位开关使传感器电容向积分电容中注入电荷。改电压持续升高，直到大于参考电压为止。比较器转换为高电压，使放电电阻器开始工作。在积分电压降至参考电压以下时，该电阻器停止工作。比较器提供所需的负反馈，使积分电压与参考电压相匹配。
电容感应式触控原理 1．电容触摸感应基本知识 首先，人体是具有一定电容的。当我们把PCB上的铜画成如下形式的时候，就完成了一个最基本的触摸感应按键。 上图左边，是一个基本的触摸按键，中间圆形绿色的为铜（我们可以称之为“按键”），在这些按键中会引出一根导线与MCU相连，MCU通过这些导线来检测是否有按键“按下”（检测的方法多种多样，这将在后面章节中谈到）；外围的绿色也是铜，不过外围的这些铜是与GND大地相连的。在“按键”和外围的铜之间是空隙（我们可以称为空隙d）。上图右边是左图的截面图，当没有手指接触时，只有一个电容Cp ，当有手指接触时，“按键” 通过手指就形成了电容Cf 。由于两个电容是并联的，所以手指接触“按键” 前后，总电容的变化率为 C% = ((Cp+Cf)‐Cp)/Cp = Cf/Cp ………………公式1 下图更简单的说明了上述原理。
2．电容感应触摸器件的参数选择 弄清楚了上述原理后很自然的就会想到下面两个问题： ① 空隙d的大小应该为多少呢？即“按键”与地之间的距离为多少？d的大小会不会影响“按键”的性能？ ② “按键”的大小应该为多少呢？它的形状、大小会不会影响“按键”的性能呢？ 为了弄清楚这两个问题，我们首先介绍公式2： 在这个公式中d就是我们所说的空隙的间距，A表示的“按键”面积的大小，C表示没有手指接触按键时电容的大小Cp。显然，空隙间距d越大，Cp越小；面积A越大，Cp越大。已知手指触摸产生的电容范围为5~15pf，这是一个非常小的容值。当Cp非常小时，公式1中的C%将会比较大，也就是说MCU更加容易检测到这个电容值的变化。基于这种考虑，对于FR4 材料的PCB（1~1.5 mm厚度）板来说我们一般选取d=0.5mm，按键的面积A一般选取成人手指大小即可。