基于電容式觸摸按鍵技術(shù)的七彩燈設(shè)計(jì)

摘 要：隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電容式觸摸按鍵已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

傳統(tǒng)機(jī)械按鍵輸入方式的電路復(fù)雜，并且容易磨損、使用壽命短。而電容式觸摸按鍵技術(shù)電路簡(jiǎn)單、操作方便，并且靈敏準(zhǔn)確，很好的彌補(bǔ)了機(jī)械按鍵的缺點(diǎn)和不足。文章采用BF6911AS10電容式觸摸按鍵控制芯片，利用電池供電，通過GPIO口模擬PWM輸出控制RGB三色LED燈頭實(shí)現(xiàn)七彩燈功能。利用不同的觸摸按鍵結(jié)合軟件設(shè)計(jì)完成開關(guān)機(jī)、顏色循環(huán)、顏色改變等功能。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電容式觸摸按鍵響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)精度準(zhǔn)確，具有很大的應(yīng)用價(jià)值與市場(chǎng)前景。

0 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，觸摸輸入方式已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。傳統(tǒng)的普通機(jī)械按鍵使用壽命只有十幾萬次，相比之下，由于觸摸輸入方式采用非接觸式按鍵技術(shù)，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機(jī)械按鍵，可靠性也不會(huì)隨著時(shí)間的增加而降低。

另外，觸摸按鍵的外觀簡(jiǎn)潔、操作方便、靈敏準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，也使得觸摸按鍵輸入方式具有很高的實(shí)用性和操控性，以及很好的發(fā)展前景。

觸摸輸入方式可以根據(jù)選用的觸摸傳感器類型的不同而分為電阻式、電波式、電磁式、光學(xué)式、電感式和電容式。以上每種觸摸方式都有著其獨(dú)特的性能優(yōu)點(diǎn)，從而可以適用于不同場(chǎng)合。而電容式觸摸輸入方式的制造工藝成本低廉、檢測(cè)便捷準(zhǔn)確，并且硬件免維護(hù)，因此作為最主要的觸摸輸入方式。本文利用芯片的GPIO口模擬PWM輸出控制RGB三色LED燈頭配比出七種顏色的燈光效果，并采用電容式觸摸按鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)、顏色循環(huán)和顏色改變的功能，很好地將電容式觸摸按鍵技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合為一體。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 主控模塊。

按照本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及需求，選用BF6911AS10電容式觸摸按鍵控制芯片。該芯片共有16個(gè)引腳，內(nèi)含10個(gè)電容式觸摸感應(yīng)通道，每個(gè)觸摸按鍵都能獨(dú)立運(yùn)行，通過芯片內(nèi)置的升壓電路，可方便地調(diào)節(jié)觸摸按鍵靈敏度，其中有8個(gè)通道可復(fù)用為GPIO口。

該芯片內(nèi)置主頻為24MHz的單片機(jī)內(nèi)核以及用于使外部的輸入信號(hào)與內(nèi)部的振蕩信號(hào)同步的PLL(鎖相環(huán))模塊;并帶有LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)模塊，可提高電源的信噪比。

電容式觸摸是利用人體電流感應(yīng)進(jìn)行工作的。

當(dāng)給觸摸工作面通上很低電壓時(shí)，由于人是零電勢(shì)體，手指在觸摸工作面時(shí)，手指的電場(chǎng)會(huì)和工作面形成耦合電容，而電容在高頻電流中變?yōu)閷?dǎo)通，因此手指會(huì)從接觸點(diǎn)吸走很小的電流，電容式觸摸控制電路則可檢測(cè)到微弱的電流變化，從而實(shí)現(xiàn)按鍵檢測(cè)。該芯片內(nèi)置防水和基線更新算法，可以很好地適應(yīng)環(huán)境變化，從而使得耦合電容較為穩(wěn)定。

因此BF6911AS10是一款適用于需準(zhǔn)確而穩(wěn)定地檢測(cè)按鍵信息的芯片。其芯片結(jié)構(gòu)及功能原理框圖如圖1所示。

1.2 外圍硬件模塊

系統(tǒng)以BF6911AS10電容式觸摸按鍵控制芯片作為主控，外接6個(gè)觸摸按鍵、RGB三色LED燈模塊、5V鋰電池以及帶鋰電池充電保護(hù)功能的充電電路。

1.2.1 電源模塊

電源模塊包括鋰電池充電電路及鋰電池保護(hù)電路。充電電路采用QX4054鋰電池充電管理控制芯片。該芯片內(nèi)含高精度比較器、恒流控制電路、充電狀態(tài)指示電路以及過充過熱保護(hù)電路。QX4054具有電路集成度高、功能齊全、外接元件少、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合便攜式設(shè)備使用。鋰電池保護(hù)電路采用DW01芯片，該芯片內(nèi)置高精度的電壓檢測(cè)與時(shí)間延遲電路，可以避免鋰電池因過度充放電、電流過大導(dǎo)致電池壽命縮短或電池被破壞。系統(tǒng)采用5V鋰電池供電，由于系統(tǒng)整體功耗非常低，因此可保持長(zhǎng)時(shí)間工作。當(dāng)電池電壓不足時(shí)，便可通過DC座插孔對(duì)電池進(jìn)行充電，并配有LED作為充電指示燈。

1.2.2 燈源模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)所需產(chǎn)生七種不同顏色的彩光，燈源模塊采用5V供電的RGB三色LED燈頭。RGB燈是以三原色共同交集成像，可以根據(jù)需要進(jìn)行配比混色。

由于BF6911AS10不具備三個(gè)PWM(脈寬調(diào)制)功能的通道，因此只能采用主控的三個(gè)GPIO口配合軟件編程模擬PWM輸出控制RGB三色燈。通過三路模擬PWM功能分別控制紅、綠、藍(lán)三種顏色LED燈接通的時(shí)間，改變它們的占空比，從而配比成所需的彩虹七色，占空比最高設(shè)置為50%.三色燈通道分別由三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并串有限流電阻保護(hù)LED燈，燈源模塊電路圖如圖2所示。

1.2.3 觸摸按鍵模塊

本設(shè)計(jì)采用6個(gè)觸摸按鍵，集成于一塊觸摸滑條上。其中1個(gè)按鍵作為多功能點(diǎn)動(dòng)按鍵，短按時(shí)開關(guān)機(jī)，長(zhǎng)按時(shí)則顏色循環(huán)漸變。其余5個(gè)按鍵同時(shí)支持點(diǎn)動(dòng)與滑動(dòng)用于改變燈光顏色。主控通過檢測(cè)觸摸按鍵信息完成開關(guān)機(jī)、顏色循環(huán)、顏色改變的功能。當(dāng)主控檢測(cè)到改變顏色的功能按鍵被觸發(fā)時(shí)，會(huì)調(diào)整RBG三色燈各自占空比從而配比輸出相對(duì)應(yīng)的顏色。為了使按鍵檢測(cè)更加精準(zhǔn)，需要在每個(gè)觸摸通道與主控之間串上2k電阻以減小干擾，同時(shí)應(yīng)盡量保持每個(gè)觸摸通道與主控距離相等[6].

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用C語言編寫，采用前后臺(tái)方式構(gòu)建和運(yùn)行。主函數(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)前臺(tái)中電流源自適應(yīng)調(diào)節(jié)、按鍵循環(huán)掃描、判斷觸摸通道、執(zhí)行通道功能的大循環(huán)，流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)初始化包括了Timer 0初始化、I/O口初始化以及觸摸通道初始化等。Timer 0初始化中，將其設(shè)定為16位定時(shí)器，并給定時(shí)器0賦以初值。I/O口初始化中設(shè)定3個(gè)通道為GPIO口用于模擬輸出PWM功能，另有6個(gè)通道作為觸摸按鍵使用。觸摸通道初始化中執(zhí)行電流源的初始化以及觸摸基線初始化。

電流源初始化后，通過電流源自適應(yīng)的調(diào)節(jié)，可將由環(huán)境或噪聲等因素對(duì)觸摸通道掃描造成的干擾進(jìn)行一定程度的抵消和降低，提高了觸摸掃描的精度和穩(wěn)定性。觸摸基線初始化中提供了基線的參考值與誤差范圍，用于計(jì)算并判斷被觸摸的通道。主循環(huán)中將看門狗定時(shí)器設(shè)定為2.3s定時(shí)，需進(jìn)行喂狗以防程序跑飛或死循環(huán)等錯(cuò)誤，若未及時(shí)喂狗，則系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

另有函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)后臺(tái)中斷服務(wù)功能，包含定時(shí)器0中斷和按鍵中斷。定時(shí)器0中斷通過調(diào)用其服務(wù)子程序調(diào)整RGB三色燈各自占空比，控制高低電平時(shí)長(zhǎng)，配比出相應(yīng)的顏色;按鍵中斷通過調(diào)用其服務(wù)子程序進(jìn)行按鍵的循環(huán)掃描，在掃描過程中，通過程序計(jì)算手指觸摸值與基線的差值來判斷被觸摸的通道，從而根據(jù)被觸摸的不同通道執(zhí)行其相應(yīng)的功能。

在6個(gè)觸摸按鍵中，1個(gè)按鍵作為多功能點(diǎn)動(dòng)按鍵，通過計(jì)數(shù)方式判斷長(zhǎng)短按。判斷為短按時(shí)，程序?qū)witch變量取反，進(jìn)行開關(guān)機(jī);判斷為長(zhǎng)按時(shí)，程序執(zhí)行Color變量的累加，進(jìn)行顏色循環(huán)。其余5個(gè)觸摸按鍵將其對(duì)應(yīng)的整體觸摸通道分配為七份，通過點(diǎn)動(dòng)或滑動(dòng)分別實(shí)現(xiàn)按順序排列的彩虹七色。

所有功能均需要在開機(jī)情況下執(zhí)行，在顏色循環(huán)功能執(zhí)行過程中，只需觸摸任意通道便可退出循環(huán)。

為了使燈光變化效果更好，程序采用計(jì)數(shù)方式執(zhí)行占空比的改變，從而可實(shí)現(xiàn)顏色的漸變效果。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電容式觸摸按鍵技術(shù)已經(jīng)在眾多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用并體現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，正在逐步替代傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵。本文將該技術(shù)與實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合，利用電容式觸摸按鍵完成了七彩燈的多種功能。在實(shí)際應(yīng)用中，觸摸按鍵的精確性決定著它是否能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行與其相對(duì)應(yīng)的功能，因此該指標(biāo)非常重要。本系統(tǒng)通過電流源自適應(yīng)以及設(shè)定基線誤差范圍等方法確保了按鍵的穩(wěn)定與準(zhǔn)確。同時(shí)，不同的觸摸面板材質(zhì)與厚度會(huì)對(duì)觸摸靈敏度造成影響。若觸摸靈敏度控制不當(dāng)，當(dāng)靈敏度過低時(shí)，會(huì)造成操作不便甚至操作無效;相反，若靈敏度過高，會(huì)造成很多誤操作導(dǎo)致系統(tǒng)不受控，所以觸摸按鍵的靈敏度也需要控制。經(jīng)試用表明，系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間工作、燈光效果優(yōu)美、顏色漸變效果明顯。同時(shí)，觸摸按鍵精度準(zhǔn)確、穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高，且具有抗環(huán)境因素和噪聲干擾的能力。