觸摸按鍵在電子設(shè)備中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。用觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的電磁爐，微波爐，電冰箱等家電產(chǎn)品越來(lái)越受青睞，預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的觸摸按鍵產(chǎn)品取代傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵產(chǎn)品。觸摸按鍵具有堅(jiān)固耐用，反應(yīng)速度快，節(jié)省空間，美觀大方，易于清潔等諸多優(yōu)點(diǎn)。觸摸式按鍵可分為四大類，電阻式，電容式，紅外線式及表面聲波式感應(yīng)按鍵。其中電阻式，紅外線式和表面聲波按鍵主要應(yīng)用于觸摸屏中，在單個(gè)按鍵中很少使用。本方案將重點(diǎn)討論電容式觸摸按鍵在單個(gè)按鍵中的應(yīng)用。

 

電容式觸摸按鍵采用電容量為判斷標(biāo)準(zhǔn)，在觸摸按鍵的設(shè)計(jì)中，它具有一些優(yōu)點(diǎn)，例如可直接集成在PCB中，觸摸感應(yīng)區(qū)域外形尺寸設(shè)計(jì)靈活，相對(duì)成本較低等等。簡(jiǎn)單來(lái)講，電容式觸摸按鍵在按下的時(shí)候改變了電容值，從而改變電路振蕩周期，通過(guò)對(duì)振蕩周期改變值的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的檢測(cè)。圖1是電容式觸摸按鍵原理示意圖。

圖1：觸摸按鍵原理示意圖

 

空載狀態(tài)下，感應(yīng)區(qū)域電容由材料和結(jié)構(gòu)決定（圖1左上圖）,電容值為C1+C2。變化電容基于寄生效應(yīng)，主要由外界導(dǎo)體與PAD之間的寄生電容組成（圖1右下圖），手指按下，寄生電容值變化，容值為C1+C2+C3||C4。將此電容接入電路組成振蕩器，電容值的改變導(dǎo)致振蕩電路輸出頻率變化，通過(guò)測(cè)量輸出頻率判斷按鍵的觸發(fā)狀態(tài)。

 

按鍵感應(yīng)區(qū)域設(shè)計(jì)需要避免誤觸發(fā)以及兼顧靈敏度。通常來(lái)說(shuō)，單個(gè)按鍵感應(yīng)區(qū)域需要做的足夠大，以達(dá)到識(shí)別按鍵目的；相鄰按鍵感應(yīng)區(qū)域應(yīng)保持一定距離，避免誤觸發(fā)；觸摸感應(yīng)區(qū)形狀原則上可任意，單個(gè)按鍵以圓形、方形為佳。

 

紅外遙控原理可參考文檔[2]。本文采用NEC協(xié)議編碼，簡(jiǎn)單說(shuō)是通過(guò)脈沖串之間的時(shí)間間隔來(lái)表示邏輯“0”和邏輯“1”。載波信號(hào)頻率為38k，邏輯“1”用 0.56ms 的 38k 載波和 1.5ms的無(wú)載波表示，邏輯“0”用0.56ms 的載波和0.56ms 的無(wú)載波表示，幀頭用9ms 載波加4.5ms無(wú)載波表示。編碼幀格式參考圖2，具體格式定義可根據(jù)實(shí)際情況稍作修改。

圖2：紅外編碼數(shù)據(jù)幀格式

 

TI的MSP430系列MCU自帶Timer，可方便產(chǎn)生38k載波，編碼時(shí)的載波有無(wú)控制可由Timer的 PWM輸出模塊實(shí)現(xiàn)。其PWM輸出模塊可配置成7種輸出方式，可方便實(shí)現(xiàn)上述編碼。采用MSP430的Timer的PWM輸出功能，僅需要一個(gè)Timer和一路PWM即可輕松實(shí)現(xiàn)紅外編碼，無(wú)需額外硬件，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。為系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)省成本和開發(fā)時(shí)間。

 

 

傳統(tǒng)的遙控模塊采用機(jī)械按鍵實(shí)現(xiàn)，本方案采用觸摸按鍵設(shè)計(jì)，按鍵和顯示在同一塊LCD 屏上，外形時(shí)尚、美觀。本方案作為參考設(shè)計(jì)，除了遙控器基本功能（按鍵，顯示，發(fā)射，按鍵聲）外，還設(shè)計(jì)了充電和USB模塊，并擴(kuò)展了RF和NFC接口?？沙潆姺绞教岣吡遂`活性，用戶僅需要充電而不必更換電池。USB模塊可實(shí)現(xiàn)和PC端應(yīng)用軟件通信。本方案不僅僅是遙控器方案，在其他應(yīng)用領(lǐng)域，本方案也有很大的參考價(jià)值，用戶僅需要根據(jù)需求對(duì)本方案功能模塊進(jìn)行裁剪即可。本方案電源模塊支持電池供電和USB或直流適配器充/供電；觸摸按鍵采用比較器B實(shí)現(xiàn)；RF和NFC模塊采用SPI和MCU接口；MSP430自帶的USB模塊可方便與PC端應(yīng)用軟件接口，實(shí)現(xiàn)PC和MCU的雙向通信。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3：系統(tǒng)框圖

 

本系統(tǒng)采用電池供電，且設(shè)計(jì)了充電電路，支持USB或直流充電。電源經(jīng)LDO穩(wěn)壓后輸出3.3V供給MCU，保證MCU工作電壓的穩(wěn)定。其電路實(shí)現(xiàn)如下圖4所示。

圖4：電源模塊電路設(shè)計(jì)

 

 

MSP430F6638自帶LCD控制器，可方便地驅(qū)動(dòng)段式LCD屏。屏幕背光亮度由Timer輸出PWM波控制，調(diào)節(jié)方便。背光電路設(shè)計(jì)如圖5所示。通過(guò)改變PWM的頻率和占空比，可改變背光亮度，從而改變LCD屏視覺效果。

圖5：背光電路設(shè)計(jì)

 

 

MSP430F6638自帶比較器B，最多可支持12個(gè)觸摸按鍵，比較器B的輸出接入Timer的CLK輸入端，當(dāng)手指按下，觸摸感應(yīng)區(qū)電容值發(fā)生了變化，比較器翻轉(zhuǎn)周期變長(zhǎng)，比較器輸出作為 Timer的計(jì)數(shù)脈沖，在固定的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值變小，根據(jù)固定時(shí)間內(nèi)Timer計(jì)數(shù)值的變化來(lái)判斷按鍵動(dòng)作。通過(guò)合適配置寄存器和軟件算法處理，可實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵檢測(cè)。電路設(shè)計(jì)如圖 6所示。注意為了降低噪聲，每通道外接電阻不宜過(guò)小，可選500k左右。比較器B 翻轉(zhuǎn)電平通過(guò)配置寄存器實(shí)現(xiàn)。

圖6：觸摸按鍵電路設(shè)計(jì)

 

紅外模塊采用普通紅外管實(shí)現(xiàn)，通過(guò)配置Timer輸出合適的PWM波實(shí)現(xiàn)紅外編碼。紅外發(fā)射瞬間電流較大，通過(guò)MCU的GPIO控制三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射燈管，提高發(fā)射電流。紅外發(fā)射模塊需配合接收模塊采用同樣的編碼格式實(shí)現(xiàn)通信。紅外模塊電路圖如圖7 所示。

圖7：紅外發(fā)射模塊

 

 

MSP430F6638自帶USB模塊，可實(shí)現(xiàn)USB通信，其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。本文用USB虛擬UART實(shí)現(xiàn)和PC通信。關(guān)于USB調(diào)試請(qǐng)參考TI官網(wǎng)資料[4]。

 

 

 

系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行RTC，顯示當(dāng)前時(shí)間，溫度且把時(shí)間，溫度以及按鍵狀態(tài)（每個(gè)按鍵動(dòng)作有無(wú)）信息發(fā)送給PC。當(dāng)有按鍵按下后，除了上述功能外，系統(tǒng)還將執(zhí)行按鍵上層邏輯，比如是否進(jìn)入時(shí)間設(shè)定模式，是否開蜂鳴器以及發(fā)射哪種紅外碼等等。

圖8：軟件流程圖

 

為了方便實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使用C Sharp語(yǔ)言開發(fā)了配套的PC端軟件實(shí)現(xiàn)和MCU的雙向通信。通過(guò)PC端軟件可查看DEMO的當(dāng)前狀態(tài)，包括時(shí)間，溫度，按鍵動(dòng)作等，另外也可通過(guò)PC端改變DEMO背光的亮度。PC端軟件如圖9所示。

圖9：PC端軟件

 

DEMO通過(guò)USB線與PC端COM口連接，MSP430F6638的USB通過(guò)軟件協(xié)議虛擬UART，在PC端選擇合適的COM端口號(hào)可實(shí)現(xiàn)PC軟件和DEMO的互連。圖9中左圖反映DEMO的實(shí)物，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的按鍵圖標(biāo)閃爍一下，同時(shí)在記錄框輸出文字記錄這個(gè)動(dòng)作(Button xx Pressed!)。最下面圖表則實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度信息。

 

 

DEMO實(shí)物如圖10所示。鍵盤區(qū)12個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵按下圖標(biāo)會(huì)閃爍一下，同時(shí)蜂鳴器會(huì)響 0.3s左右。每個(gè)按鍵做了不同功能，可根據(jù)需求發(fā)射不同的紅外碼實(shí)現(xiàn)遙控器的功能。演示DEMO 中代碼支持RTC和溫度計(jì)功能，支持靈活調(diào)整時(shí)間，同時(shí)可通過(guò)PC端軟件來(lái)調(diào)節(jié)屏幕背光。DEMO還可擴(kuò)展光傳感模塊，可根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)弱智能調(diào)節(jié)背光亮度，達(dá)到較好的視覺效果。

 

該DEMO具有通用性，在所有需要顯示和人機(jī)交互的微控制系統(tǒng)中均可參考此方案，只需對(duì)FW 做簡(jiǎn)單修改即可實(shí)現(xiàn)所需功能。同樣，MSP430系列眾多的產(chǎn)品線為客戶提供了不同成本的多種選擇?？蛻艨筛鶕?jù)具體需求選擇合適的MCU和合適的代碼模塊組合，以實(shí)現(xiàn)最高的性價(jià)比。

圖10：DEMO實(shí)物

 

本方案使用MSP430F6638作為主處理器，展示了用其實(shí)現(xiàn)觸屏遙控器的電子模塊設(shè)計(jì)實(shí)例。在遙控器，無(wú)線設(shè)備以及其它需要按鍵和顯示的應(yīng)用場(chǎng)合均可參考本方案。MSP430富的產(chǎn)品線也為前述應(yīng)用場(chǎng)合提供了豐富的選擇，客戶可根據(jù)具體需求選擇合適的產(chǎn)品，達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比。