基于嵌入式技術支持的感應按鍵設計

1 引言

感應按鍵技術是一項新興的技術，如今已經(jīng)被廣泛用于各種產(chǎn)品。特別是近兩年來，采用感應按鍵的家電產(chǎn)品呈現(xiàn)雨后春筍般的繁盛景象。目前，市面上的這類產(chǎn)品主要有智能電冰箱、數(shù)字液晶電視、熱水器、電熱爐等家電產(chǎn)品。采用感應式按鍵的家電產(chǎn)品，可以設計出靚麗的控制面板，同時，與機械式按鍵相比具有更長的使用壽命。

目前，感應按鍵的應用方式主要有兩大類：

① 采用專用芯片，比如昆騰公司的感應按鍵芯片QT240、QT1101，以及康拓斯公司的CT1008等。這類芯片內(nèi)部固化了處理感應按鍵的軟件，能夠?qū)Π存I感應電極（金屬彈簧或?qū)щ姾＞d）的信號進行采集和分析，最終將分析的結果以高低電平形式輸出到應用系統(tǒng)的處理器I/O口。比如，當手靠近感應電極的時候輸出高電平，遠離感應電極的時候輸出低電平。這類芯片外圍需要少量的分立器件，實際使用時要根據(jù)應用場合對這些外圍器件的參數(shù)進行微調(diào)，以達到最佳效果。

② 采用集成式芯片。推出這種方式的芯片廠家將處理感應按鍵的軟件部分嵌入到單片機程序中，用戶如果需要用到感應按鍵，只需要在單片機開發(fā)環(huán)境里將需要的I/O口配置為感應按鍵的輸入口，同時系統(tǒng)通過調(diào)用芯片廠家提供的函數(shù)庫接口來讀取感應按鍵的結果。基于Atmel公司ATmega系列單片機的感應按鍵就是屬于這種應用方式，它是將其QTouch技術的軟件代碼以庫函數(shù)接口形式提供給用戶使用。

2 QTouch技術

QTouch技術是Atmel公司觸摸技術部前身Quantum開發(fā)的一項技術。所開發(fā)的集成電路技術是基于電荷的傳輸電容式感測。QTouch IC檢測用傳感器芯片和簡單按鍵電極之間連接來檢測觸摸，如圖1所示。QTouch器件對未知電容的感測電極充電到已知電位。電極通常是印刷電路板上的一塊銅區(qū)域，該電極可以通過金屬彈簧或者導電海綿來延伸應用空間。在1個或多個電荷傳輸周期后測量電荷，就可以確定感測板的電容。在觸摸表面按手指，導致在該點影響電荷流的外部電容，作為一個觸摸記錄；也可確定QTouch微控制器來檢測手指的接近度，而不是絕對觸摸。判斷邏輯中的信號處理使QTouch健全和可靠，同時可以消除靜電脈沖或瞬時無意識觸摸/接近引起的假觸發(fā)。

圖1 QTouch技術示意圖

QTouch傳感器可以驅(qū)動單按鍵或多按鍵。在用多按鍵時，可以為每個按鍵設置一個單獨的靈敏電平?？梢杂貌煌笮『托螤畹陌存I來滿足功能和審美要求。QTouch技術可以采用兩種模式：正常或“觸摸”模式，以及高靈敏度或“接近”模式。用高靈敏電荷傳輸接近感測來檢測末端用戶接近的手指，用用戶接口中斷電子設備或電氣裝置來啟動系統(tǒng)功能。為了實現(xiàn)良好的電磁兼容，QTouch傳感器采用擴頻調(diào)制和稀疏、隨機充電脈沖（脈沖之間具有長延遲）。單個脈沖可以比內(nèi)部串脈沖間隔短5%或更短。這種方法的優(yōu)點是交叉?zhèn)鞲衅鞲蓴_較小，功耗較低，且降低了RF輻射和極化率。QTouch器件對于慢變化（由于老化或環(huán)境條件改變）具有自動漂移補償。這些器件不需要線圈、振蕩器、RF元件、專門纜線、RC網(wǎng)絡或大量的分立元件。

3 硬件設計

基于ATmega48的感應按鍵，在硬件設計上非常簡單，每路按鍵只需要一個電阻和一個電容即可實現(xiàn)。通常情況下，感應電極一般以銅箔形式分布在印刷電路板上，可以根據(jù)具體的應用需要將感應電極設計成不同的尺寸和形狀。同時，采用金屬彈簧或者導電海綿等具有導電功能的介質(zhì)，能夠?qū)存I延伸到合適的長度或高度，如圖2所示。

圖2 采用金屬彈簧延伸的感應電極

圖3 硬件原理圖

典型應用情況下，采樣電容C1或C2采用22 nF，限流電阻R1或R2采用1 kΩ。但是實際應用系統(tǒng)中需要根據(jù)感應按鍵的靈敏度，對采樣電容的容值和限流電阻的阻值進行調(diào)整，以達到最佳效果。硬件原理圖如圖3所示。

4 函數(shù)庫安裝與軟件配置

要把ATmega48單片機的I/O口作為感應按鍵輸入口來使用，首先需要安裝QTouch函數(shù)庫Atmel_QTouch_Libraries，目前比較新的函數(shù)庫版本是4.3。安裝完畢后，需要將與單片機對應的庫文件加載到工程中。Atmel公司的集成開發(fā)環(huán)境AVR STudio提供了便捷的設置，新建一個工程后，可在Project→CONfiguration OptioNS→Libraries界面中添加函數(shù)庫鏈接文件。

其次，需要對I/O口進行配置。在工程配置（Project→Configuration Options→Custom Options）界面設置相應的宏定義參數(shù)即可，如圖4所示。

圖4 AVR Studio工程配置界面

D_QTOUCH_：需要使用QTouch函數(shù)庫。

DSNSK=C和DSNS=C：表示將ATmega48 PC口設置為感應按鍵口。

DQT_NUM_CHANNELS=4：表示最大可用通道數(shù)量。

DQT_DELAY_CYCLES=1：表示采樣電容充放電周期時間。

另外，在應用系統(tǒng)源程序中需要加入庫函數(shù)的頭文件。代碼如下：

#include touch_api.h

5 系統(tǒng)應用

應用流程如圖5所示。在系統(tǒng)初始化之后，首先調(diào)用config_sensors（）函數(shù)將需要的I/O口配置成感應按鍵的采樣口，并對各個感應按鍵的各個狀態(tài)進行初始化。然后是設置感應參數(shù)，這些參數(shù)包括按鍵校準閾值、正向漂移值、負向漂移值、最大連續(xù)感應時間等。最后，在應用系統(tǒng)的主程序中，需要周期地調(diào)用庫函數(shù)qt_measuer_channels（）對感應信號進行測量，并檢測按鍵的狀態(tài)。

圖5 QTouch應用流程

需要注意的是，感應按鍵采集使用了系統(tǒng)的一個定時器中斷，因此，應用系統(tǒng)中的中斷程序會對其造成一定的影響。這就要求在按鍵感應的過程中，應用系統(tǒng)的中斷服務程序的處理時間越短越好。在電容感應工作的時候，中斷服務程序處理時間不應該超過1 ms，否則將嚴重影響感應按鍵的靈敏度，甚至會導致感應按鍵失靈。

應用系統(tǒng)程序如下：

　　int main（ void ）{

　　init_system（）；/*系統(tǒng)初始化*/

　　config_sensors（）；/*將I/O口配置成感應按鍵*/

　　qt_init_sensing（）；/*初始化感應傳感器*/

　　qt_set_parameters（）；/*感應參數(shù)設置*/

　　init_timer_isr（）；/*用于感應按鍵的定時器設置*/

　　qt_filter_callback = 0;/*濾波參數(shù)選擇*/

　　__enable_interrupt（）；/*使能定時器中斷*//*應用程序主循環(huán) */

　　while （1） {

　　if（ time_to_measure_touch ） {

　　time_to_measure_touch = 0u; /*繼續(xù)下一個采集周期*/

　　qt_measure_sensors（ current_time_ms_touch ）；/*感應檢測 */

　　}

　　KeyBuff = （qt_measure_data.qt_touch_status.sensor_states[0]）；/*獲取感應按鍵狀態(tài)*/

　　……/*系統(tǒng)應用程序*/

　　}

　　}

6 結語

基于Atmel QTouch技術的嵌入式感應按鍵設計，簡化了設計難度，降低了系統(tǒng)的應用成本，節(jié)省了印刷電路板的尺寸空間，系統(tǒng)應用穩(wěn)定，可靈活應用于各類電子產(chǎn)品中。