電荷轉移感應按鍵設計說明書

吳文勇

摘 要：本文主要講述電容電荷轉移理論，并根據此理論設計電荷轉移電路，最終由電荷轉移電路與倍壓脈沖發生器實現電荷轉移感應按鍵功能。此感應按鍵可應用于玻璃、塑料等作為面板的非接觸式人機操作輸入。

關鍵詞：電荷轉移；電容感應；容抗；倍壓

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：B

概述

感應技術正在迅速地成為人機界面操作的媒介，人們在應用并享受這種全新的技術所帶來的方便、美觀、無機械壽命等好處。本文就個人研發的新型感應設計技術作詳細說明。

一、電荷轉移感應按鍵的組成

本文設計的感應按鍵模塊有兩部分組成，一部分是共用的倍壓高頻脈沖發生器模塊，用于給另一部分電路提供高頻的脈沖信號，另一部分是感應按鍵能量轉移電路模塊。每一路按鍵采用一個轉移電路模塊，例如產品設計兩個按鍵，那么只要采用一個脈沖發器模塊和兩個感應按鍵能量轉移電路模塊，再結合帶ADC轉換功能的MCU即可。在目前電子產品中MCU是不可缺少的一部分，所以設計人員并不需要額外增加MCU，就可以完成他的設計。

二、電荷轉移感應按鍵的原理

在說明原理之前我們先來了解一下電容，如圖1所示：電壓與IC的相量關系為：

其中：XC = 1/ωC，稱為容抗，單位為 Ω（歐姆），容抗的倒數稱為容納BC = ωC，單位為 S。由（式-1）可見頻率和容抗成反比， 也就是頻率越高，容抗越小，如圖2曲線所示。

ω→0 ， |XC|→∞直流開路（隔直）

ω→∞，|XC|→0高頻短路（旁路作用）

我們知道電容器的公式：

ε為極板與極板之間的介電常數

S 為極板面積

d 為極板與極板之間的間距

由此我們可以知道任何導體與導體之間都存在電容，如下圖3、圖4所示每個電極與電極之間都有一個很小的電容，同樣的當手指與電極之間也存在電容。

手指越靠近電極，根據電容急

劇增大，當然再如何增大，電容值還是很小，約為十個PF。同時結合前面講到的容抗與頻率的關系，我們設計一個高頻發生電路，使電極是一個相對手指高頻變化的電壓信號，根據

（式-1），手指與電

極之間產生電流。到此我的結論是：因為手指靠近電極，從而手指與電極之間產生一個耦合電容，因為電容的容抗作用使手指與電極之間產生電流，因為電流使得電極的電荷發生轉移，根據電荷的轉移理論，我們設計出感應按鍵能量轉移電路模塊。

三、倍壓高頻脈沖發生器

如圖5所示，設剛開始PULSE電壓為0V，則電源5V經過二極管D2向C4充電。經過 （ τ=RC）后，C4電壓為5–VD2 （VD2為二極管D1或D2 PN結的正向壓降，下同）。當PULSE由0V變為5V時，三極管Q2導通，三極管Q1截止，電壓VA為5V+C4兩端電壓，得出VA=5+5–VD2。二極管D1截止，二極管D2導通，PULSE_OUT電壓為10–2*VD2。當PULSE電壓由5V變為0V時，三極管Q2截止，三極管Q1導通，PULSE_OUT電壓變為0V。如此循環，可得PULSE_OUT脈沖電壓為10–2*VD2，頻率與PULSE相同。

四、電荷轉移電路

電荷轉移電路：如圖6所示，在無手指情況下，當脈沖由低電平變高電平時，Ut經過C1，C2，D1，R1對C3進行充電；當脈沖由高電平變低電平時，C1，C2經過D2進行放電；放電后當脈沖又產生高電平時又經過C1，C2，D1，R1對C3進行充電，如此循環C3即可以得到穩定電壓U0。當手指靠近電極時，如圖7所示，此時人體與電極產生如圖所示的電容Cx，電容容量在幾PF到十幾PF。此時當脈沖由低電平變高電平時，Ut除了通過C1，C2，D1，R1對C3充電外，還對Cx充電，所以Cx得到了一部分電荷。根據電路形式Ut提供給C3的電荷明顯減小；當脈沖由高電平變為低電平時，Cx經過R3進行放電，所以脈沖電壓Ut可以循環對Cx充電。也就是說每個脈沖周期都會轉移一部分電荷到Cx，C3得到的電荷減少，電壓U0降低。根據以上分析得出，當手指靠近電極時，U0電壓將會降低。根據這個結論，MCU對U0進行AD采樣并判斷采樣數據就可以知道是否有手指靠近，從而判斷是否有按鍵按下，實現感應按鍵的目的。

五、軟件設計

本軟件設計采用AVR單片機ATmega16。AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設計格局，廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機（CISC）追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中（指令集中占大多數的單周期指令都是如此），取指周期短，又可預取指令，實現流水作業，故可高速執行指令。

AVR單片機硬件結構采取8位機與16位機的折中策略，即采用局部寄存器 （32個寄存器文件）和單體高速輸入/輸出的方案（即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應控制邏輯）。提高了指令執行速度（1Mips/MHz），克服了瓶頸現象，增強了功能；同時又減少了對外設管理的開銷，相對簡化了硬件結構，降低了成本。故AVR單片機在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優化平衡，是高性價比的單片機。

ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0V（GND）為基準。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入（ADC1、ADC0與ADC3、ADC2）有可編程增益級，在A/D轉換前給差分輸入電壓提供0dB（1x）、20dB（10x）或46dB（200x）的放大級。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端（ADC1），而其他任何ADC輸入可做為正輸入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益，可得到7位分辨率。endprint

本設計主要采用Atmega16的ADC功能，選用8位分辨率采用方式，啟用ADC中斷功能。部分程序如下：

主程序：

void main（void）

{

// port initialization

// Watchdog Timer initialization

// Watchdog Timer Prescaler： OSC/128k

#pragma optsize-

//WDTCR=0x19；

//WDTCR=0x09；

#ifdef _OPTIMIZE_SIZE_

#pragma optsize+

#endif

ADC_init（）；

// Global enable interrupts

#asm（"sei"）；

Get_sensor_standard（）；//大約需要1秒鐘

while （1）

{

// Place your code here

}

ADC中斷采樣程序（采樣多個感應按鍵）：

interrupt [ADC_INT] void AD_INT（void）

{

register static unsigned char num； //采用register static 可以減少入棧及出棧時間，提高運行速度

//設置CD4051通道

PORTC &= 0x3e；

PORTC |= AD_CD4051_MUX1[Channel]；

//感應按鍵采樣

num = ADC_Sensor[Channel].ConvertNum；

ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num] = ADCH；

if（++ADC_Sensor[Channel].ConvertNum >= DATA_NUM）

{

ADC_Sensor[Channel].ConvertNum = 0；

for（num = 0； num < DATA_NUM； num++）

ADC_Sensor[Channel].Value[num] = ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num]； //完成一個通道采樣

setbit（ADC_Sensor[Channel].State， AD_COMPLETE_BIT）；//設置當前通道完成標志

}

//ADC通道循環

if（++Channel >= CHANNEL） Channel = 0；

// Start the AD conversion

ADMUX = AD_MUX[Channel]；

ADCSRA|=0x40；

}

參考文獻

[1]邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社.

[2]Bruce Eckel.C++編程思想[M].北京：機械工業出版社.

[3]李火林，鄧聲南，甘筱青.數學模型及方法[M].江西：江西高校出版社.

[4]寧建國.AVR單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社.endprint

本設計主要采用Atmega16的ADC功能，選用8位分辨率采用方式，啟用ADC中斷功能。部分程序如下：

主程序：

void main（void）

{

// port initialization

// Watchdog Timer initialization

// Watchdog Timer Prescaler： OSC/128k

#pragma optsize-

//WDTCR=0x19；

//WDTCR=0x09；

#ifdef _OPTIMIZE_SIZE_

#pragma optsize+

#endif

ADC_init（）；

// Global enable interrupts

#asm（"sei"）；

Get_sensor_standard（）；//大約需要1秒鐘

while （1）

{

// Place your code here

}

ADC中斷采樣程序（采樣多個感應按鍵）：

interrupt [ADC_INT] void AD_INT（void）

{

register static unsigned char num； //采用register static 可以減少入棧及出棧時間，提高運行速度

//設置CD4051通道

PORTC &= 0x3e；

PORTC |= AD_CD4051_MUX1[Channel]；

//感應按鍵采樣

num = ADC_Sensor[Channel].ConvertNum；

ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num] = ADCH；

if（++ADC_Sensor[Channel].ConvertNum >= DATA_NUM）

{

ADC_Sensor[Channel].ConvertNum = 0；

for（num = 0； num < DATA_NUM； num++）

ADC_Sensor[Channel].Value[num] = ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num]； //完成一個通道采樣

setbit（ADC_Sensor[Channel].State， AD_COMPLETE_BIT）；//設置當前通道完成標志

}

//ADC通道循環

if（++Channel >= CHANNEL） Channel = 0；

// Start the AD conversion

ADMUX = AD_MUX[Channel]；

ADCSRA|=0x40；

}

參考文獻

[1]邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社.

[2]Bruce Eckel.C++編程思想[M].北京：機械工業出版社.

[3]李火林，鄧聲南，甘筱青.數學模型及方法[M].江西：江西高校出版社.

[4]寧建國.AVR單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社.endprint

本設計主要采用Atmega16的ADC功能，選用8位分辨率采用方式，啟用ADC中斷功能。部分程序如下：

主程序：

void main（void）

{

// port initialization

// Watchdog Timer initialization

// Watchdog Timer Prescaler： OSC/128k

#pragma optsize-

//WDTCR=0x19；

//WDTCR=0x09；

#ifdef _OPTIMIZE_SIZE_

#pragma optsize+

#endif

ADC_init（）；

// Global enable interrupts

#asm（"sei"）；

Get_sensor_standard（）；//大約需要1秒鐘

while （1）

{

// Place your code here

}

ADC中斷采樣程序（采樣多個感應按鍵）：

interrupt [ADC_INT] void AD_INT（void）

{

register static unsigned char num； //采用register static 可以減少入棧及出棧時間，提高運行速度

//設置CD4051通道

PORTC &= 0x3e；

PORTC |= AD_CD4051_MUX1[Channel]；

//感應按鍵采樣

num = ADC_Sensor[Channel].ConvertNum；

ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num] = ADCH；

if（++ADC_Sensor[Channel].ConvertNum >= DATA_NUM）

{

ADC_Sensor[Channel].ConvertNum = 0；

for（num = 0； num < DATA_NUM； num++）

ADC_Sensor[Channel].Value[num] = ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num]； //完成一個通道采樣

setbit（ADC_Sensor[Channel].State， AD_COMPLETE_BIT）；//設置當前通道完成標志

}

//ADC通道循環

if（++Channel >= CHANNEL） Channel = 0；

// Start the AD conversion

ADMUX = AD_MUX[Channel]；

ADCSRA|=0x40；

}

參考文獻

[1]邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社.

[2]Bruce Eckel.C++編程思想[M].北京：機械工業出版社.

[3]李火林，鄧聲南，甘筱青.數學模型及方法[M].江西：江西高校出版社.

[4]寧建國.AVR單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社.endprint