PSoC的電容式非接觸感應(yīng)按鍵設(shè)計(jì)
作者：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 鄒明艷 張東來
摘 要：非接觸式操作界面正逐漸取代普通按鍵,成為常用的人機(jī)交互工具。使用PSOC片上系統(tǒng)芯片CY8C2714,結(jié)合電容式感應(yīng)原理,可設(shè)計(jì)一種基于PSoC微處理器芯片的電式感應(yīng)按鍵,實(shí)現(xiàn)按鍵的非接觸式可靠設(shè)計(jì)。PSoC片上系統(tǒng)芯片是具有高速內(nèi)核、快閃內(nèi)存和SRAM數(shù)據(jù)內(nèi)存的高性能芯片,具有獨(dú)立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器總線,設(shè)計(jì)者可自配置模擬模塊和數(shù)字模塊。
關(guān)鍵詞：電容式 PSoC非接觸式 感應(yīng)按鍵
電容式感應(yīng)技術(shù)正在迅速成為面板操作和多媒體交互的全新應(yīng)用技術(shù),其耐用性和降低BOM成本方面的優(yōu)勢,使這種技術(shù)在非接觸式操作界面上得到廣泛的應(yīng)用。本文采用PSOC片上系統(tǒng)芯片,實(shí)現(xiàn)了非接觸式、穩(wěn)定可靠的電容式感應(yīng)按鍵的設(shè)計(jì)。
1 PSoC片上系統(tǒng)
PSoC微處理器由處理器內(nèi)核、系統(tǒng)資源、數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)組成。PSoC片上系統(tǒng)包含8個(gè)數(shù)字模塊和12個(gè)模擬模塊。這些模塊都可進(jìn)行配置,用戶通過對這些模塊進(jìn)行配置,定義出用戶所需要的功能。數(shù)字模塊可配置成定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串行通信口(UARTS)、CRC發(fā)生器、PWM脈寬調(diào)制等功能模塊。模擬模塊可配置成模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器、可編程濾波器、差分比較器等功能模塊。數(shù)字模塊和模擬模塊也可構(gòu)成調(diào)制解調(diào)器、復(fù)雜的馬達(dá)控制器、傳感器信號的處理電路等。
2 電容式感應(yīng)原理
電容開關(guān)是一對相鄰電極,在電極之間有很小的電容。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體接近兩個(gè)電極時(shí),在電極與導(dǎo)體之間會產(chǎn)生一個(gè)耦合電容。在這里,手指就是這個(gè)導(dǎo)體。通常電容開關(guān)的形式是一邊接地的電容,導(dǎo)體的存在增加了開關(guān)到地之間的電容。檢測是否有手指靠近,也就是檢測是否有按鍵按下,可依據(jù)電容的變化來判斷。檢測電容變化的方法有很多：電流與電壓相位差檢測、電容構(gòu)成振蕩器進(jìn)行頻率檢測、電容橋電荷轉(zhuǎn)換檢測。因?yàn)殡娙輼螂姾赊D(zhuǎn)換檢測的方法較適用于大量按鍵掃描和PSoC的性能,所以在此采用該方法進(jìn)行檢測。電荷轉(zhuǎn)換電路從概念上來說與R—C充放電路相似,如圖1 所示。電荷轉(zhuǎn)移的優(yōu)點(diǎn)是不需要附加電阻器件。Cp是感應(yīng)的電容,它的值隨著電極材料上所加導(dǎo)體而改變。Csum是參考總電容。
在檢測周期開始,通過一個(gè)復(fù)位開關(guān)把Csum上的電荷全部放掉。然后通過單刀雙向開關(guān)使CD工作在非重迭的周期上。在第一半周,Cp連接到VDD充電。當(dāng)Cp上的電荷以由Cp值決定的速度充到VDD時(shí),開關(guān)斷開,然后把開關(guān)連接到Csum,Cp上的電荷轉(zhuǎn)移到Csum中。
在圖1中,因?yàn)镃sum的電容值比CP大得多,所以Csum上的電壓值在充電的每一周期內(nèi)只有微小的增加。這個(gè)Cp到Csum上的電荷轉(zhuǎn)換周期重復(fù)許多次,以使Csum上積累到一個(gè)大的信號值。當(dāng)連接到VDD時(shí),電容Cp上的電荷為：
