一種高靈敏度電容觸控按鍵的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種高靈敏度電容觸控按鍵，包括與并聯(lián)的感應(yīng)電容及分布電容電性相連的發(fā)生器及整流電路，還包括穩(wěn)壓器、電源單元以及放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和濾波器，其特征在于：發(fā)生器與電源單元之間通過穩(wěn)壓器建立連接；整流電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及整流電路與數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間均通過放大器建立連接，同時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間通過濾波器建立連接，藉由前述構(gòu)造，解決了高靈敏度電容觸控按鍵的技術(shù)問題，達(dá)成了靈敏度高、可靠性和抗震性強(qiáng)以及降低生產(chǎn)成本的良好效果。
【專利說明】
-種高靈敏度電容觸控按鍵
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及電子技術(shù)領(lǐng)域，尤指提供一種高靈敏度電容觸控按鍵。
【背景技術(shù)】
[0002] 電容觸控按鍵的基本工作原理是通過檢測(cè)電容式觸控感應(yīng)按鍵的上分布電容的 變化來判斷是否有手指按壓在觸控按鍵上。如果不觸摸開關(guān)，觸控按鍵分布電容有一個(gè)固 定的電容值，如果我們用手指接觸開關(guān)，就會(huì)增加觸控按鍵的分布電容。所W，我們測(cè)量觸 控按鍵上分布電容的變化，就可W偵測(cè)觸摸動(dòng)作。
[0003] 電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理是：當(dāng)人體(手指)接觸金屬感應(yīng)片的時(shí)候，由于 人體相當(dāng)于一個(gè)接大地的電容，因此會(huì)在感應(yīng)片和大地之間形成一個(gè)電容，感應(yīng)電容量通 常有幾 pF到幾十pF。利用運(yùn)個(gè)最基本的原理，在外部搭建相關(guān)電路，就可W根據(jù)運(yùn)個(gè)電容量 的變化，檢測(cè)是否有人體接觸金屬感應(yīng)片。但是在多數(shù)家電產(chǎn)品的應(yīng)用中由于有安全和美 觀等方面的因素，在金屬感應(yīng)片上會(huì)放置一層玻璃等絕緣覆蓋物，人體通過覆蓋物與金屬 感應(yīng)片進(jìn)行禪合，運(yùn)樣就使得感應(yīng)電容量下降到幾 pF。不過，有些應(yīng)用由于電路板上有數(shù)碼 顯示器和Lm)等零部件而不能在覆蓋層下直接安置印刷電路板，也不能將印制電路板連接 到設(shè)備外殼上，利用彈黃構(gòu)建電容式感應(yīng)器電容式感應(yīng)相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)而言是一種穩(wěn) 健的替代方案。運(yùn)類應(yīng)用包括爐灶、洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等家用電器。
[0004] 目前，應(yīng)用在家電產(chǎn)品中的電容觸控按鍵主要有Ξ種實(shí)現(xiàn)方式：
[0005] 第一種，在觸控按鍵上施加一個(gè)振幅和頻率固定的方波，通過測(cè)試方波的平均電 流而得到觸控按鍵上的分布電容值；
[0006] 第二種，搭建一個(gè)多諧振蕩電路，使得觸控按鍵上的分布電容為諧振電容，通過測(cè) 試多諧振蕩電路的振蕩頻率而得到觸控按鍵上的分布電容值；
[0007] 第Ξ種，在觸控按鍵上施加一個(gè)階躍信號(hào)，通過測(cè)量該信號(hào)的上升或下降時(shí)間而 得到觸控按鍵上的分布電容值。
[000引目前，已有的電容式觸控按鍵檢測(cè)技術(shù)存在一個(gè)普遍問題是對(duì)電容檢測(cè)的靈敏度 不高，能夠穩(wěn)定檢測(cè)到的觸控按鍵分布電容的最小變化量大致在幾 pF的范圍。在運(yùn)樣的(檢 測(cè)靈敏度)條件下對(duì)觸控按鍵的結(jié)構(gòu)就會(huì)有比較大的限制，例如在電磁爐和油煙機(jī)等家電 產(chǎn)品的應(yīng)用中，由于電路板上有數(shù)碼顯示器和Lm)等零部件不能在覆蓋層下直接安置印刷 電路板，也不能將印制電路板連接到設(shè)備外殼上，為了保證在人的手指觸摸時(shí)有足夠大的 電容變化，必須在PCB板上安裝金屬彈黃，在實(shí)際應(yīng)用中采用金屬彈黃感應(yīng)器的方式也存在 者諸多缺點(diǎn)，例如由于每個(gè)按鍵都要裝一個(gè)彈黃，而彈黃的成本較高，在生產(chǎn)過程中彈黃的 安裝及焊接均較復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。另外在產(chǎn)品的實(shí)際使用過程中如果受到大的震 動(dòng)或沖擊，還容易使得彈黃脫離其安裝的位置，導(dǎo)致觸控功能失效。由于現(xiàn)有方案對(duì)觸控按 鍵分布電容的檢測(cè)靈敏度不夠，當(dāng)需要的觸控按鍵的鍵數(shù)較多時(shí)，就比較難采用矩陣掃描 的方式進(jìn)行按鍵掃描，或者在組成矩陣掃描形式的觸控按鍵陣列時(shí)要通過減小覆蓋物的厚 度等措施W保證觸控按鍵分布電容檢測(cè)的靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)碰到較大的限制。
[0009] 由于現(xiàn)有方案對(duì)觸控按鍵分布電容的檢測(cè)靈敏度不夠高，在智能開關(guān)等應(yīng)用中無 法做到遠(yuǎn)距離人體感應(yīng)的接近感應(yīng)的功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種高靈敏度電容觸控按 鍵。
[0011] 為達(dá)成上述目的，本實(shí)用新型應(yīng)用的技術(shù)方案是：提供一種高靈敏度電容觸控按 鍵，包括與并聯(lián)的感應(yīng)電容及分布電容電性相連的發(fā)生器及整流電路，還包括穩(wěn)壓器、電源 單元W及放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和濾波器，其中：發(fā)生器與電源單元之間通過穩(wěn) 壓器建立連接;整流電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器W及整流電路與數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間均通過放大器建立 連接，同時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間通過濾波器建立連接。
[0012] 在本實(shí)施例中優(yōu)選，感應(yīng)電容為可感應(yīng)人體手指觸摸的電容，分布電容為觸控按 鍵感應(yīng)片電容。
[0013] 在本實(shí)施例中優(yōu)選，發(fā)生器為高頻恒流脈沖發(fā)生器，包括分頻器、多路選擇器和恒 流開關(guān)，分頻器為可預(yù)置分頻器。
[0014] 在本實(shí)施例中優(yōu)選，放大器為可變?cè)鲆娣糯笃鳎ㄕ斎攵撕拓?fù)輸入端W及輸 出端。
[0015] 在本實(shí)施例中優(yōu)選，濾波器為可變帶寬低通濾波器，包括中央處理器、預(yù)存器，其 中：正輸入端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，負(fù)輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連。
[0016] 在本實(shí)施例中優(yōu)選，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用8位數(shù)模轉(zhuǎn) 換器。
[0017] 在本實(shí)施例中優(yōu)選，整流電路為同步整流電路。
[0018] 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益的效果是：
[0019] 本實(shí)用新型通過大幅提高電容式觸控按鍵的檢測(cè)靈敏度，使得觸控按鍵的機(jī)械結(jié) 構(gòu)大幅簡(jiǎn)化，整體的電氣性能大幅提高，將使得家電行業(yè)的觸控按鍵的應(yīng)用范圍得W大幅 的拓展，從而獲得此項(xiàng)技術(shù)的各類廠商取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，具體地講:通過提高觸控按鍵 電容檢測(cè)的靈敏度，使得觸控按鍵可W省去金屬彈黃感應(yīng)器而成為一種能夠?qū)崿F(xiàn)隔空感應(yīng) 的電容觸控按鍵，并可很容易地實(shí)現(xiàn)矩陣掃描按鍵和隔空感應(yīng)按鍵，使得觸控按鍵的硬件 和生產(chǎn)成本大幅降低、整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和抗沖擊震動(dòng)大幅提高。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的方框結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2是圖1的電路板結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì) 本實(shí)用新型的限制。
[0023] 在本實(shí)用新型的描述中，術(shù)語"內(nèi)"、"外"、"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"頂"、"底" 等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新 型而不是要求本實(shí)用新型必須W特定的方位構(gòu)造和操作，因此不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本實(shí)用新型 的限制。
[0024] 請(qǐng)參閱圖1并結(jié)合參閱圖2所示，本實(shí)用新型提供了包括一種高靈敏度電容觸控按 鍵，包括：與并聯(lián)的感應(yīng)電容Cf及分布電容Cd電性相連的高頻恒流脈沖發(fā)生器下簡(jiǎn)稱 "發(fā)生器"）及同步整流電路下簡(jiǎn)稱"整流電路"），還包括低壓差線性穩(wěn)壓器LD0(W下簡(jiǎn) 稱"穩(wěn)壓器"）、電源單元VCC W及可變?cè)鲆娣糯笃鱌GAm下簡(jiǎn)稱"放大器"）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和可變帶寬低通濾波器下簡(jiǎn)稱"濾波器"），其中：發(fā)生器與電源單元VCC 之間通過穩(wěn)壓器LD0建立連接;整流電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCW及整流電路與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC 之間均通過放大器PGA建立連接，同時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC之間通過濾波器建 立連接。在本實(shí)施例中，感應(yīng)電容Cf為人體手指觸摸時(shí)的感應(yīng)電容，分布電容Cd為觸控按鍵 感應(yīng)片的分布電容。
[0025] 請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D2所示，本實(shí)用新型提供了一種高靈敏度電容觸控按鍵的方法，包括： [00%]電源單元VCC經(jīng)過穩(wěn)壓器LD0產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓作為發(fā)生器的電源，發(fā)生器產(chǎn)生 一個(gè)頻率為1~8MHz高電平時(shí)輸出電流恒定的連續(xù)脈沖信號(hào)并將此脈沖信號(hào)作為觸控按鍵 的激勵(lì)信號(hào)，由此可得到公式：
[0027] C=It/U；
[00%]其中C=Cf+Cd，I、t分別為發(fā)生器的電流和高電平時(shí)間，U為觸控按鍵端口的電壓 值，也就是電容C上的電壓值。由于I和t為常量，只要測(cè)得電壓U的值就可W得出電容C的大 小，由此人體手指觸摸時(shí)的感應(yīng)電容Cf為：
[0029]
[0030] 當(dāng)Cd〉Cf時(shí)，Δυ和ACf分別為兩次不同時(shí)間的U和Cf的差值，然而，普通型觸控 按鍵其Cf的電容變化量大約在5~50pf之間，而隔空觸控按鍵及矩陣或人體接近感應(yīng)等應(yīng)用 的Cf電容變化量一般小于0.5pf，而且Cd的電容容量也會(huì)隨著溫度和時(shí)間的變化發(fā)生變化， 其電容的變化量一般在0.1~Ipf左右。所W為了能夠穩(wěn)定地檢測(cè)出〇.5pfW下的電容變化， 不能通過簡(jiǎn)單地提高電路的放大器增益，因?yàn)檫\(yùn)樣會(huì)導(dǎo)致放大器出現(xiàn)飽和問題。
[0031 ]于是，在本實(shí)用新型中，高靈敏度電容觸控的檢測(cè)方法是，電路由整流電路、放大 器PGA、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、濾波器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC構(gòu)成。從輸入端輸入的交流電壓信號(hào)經(jīng)過 整流電路轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，經(jīng)過放大器PGA放大并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，為 了避免放大器PGA飽和，需要在數(shù)字信號(hào)中提取分布電容Cd的分量，并將它經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC轉(zhuǎn)成模擬量后送到放大器PGA的負(fù)端，藉此避免放大器PGA飽和的技術(shù)問題，放大器PGA 的增益增加使得觸控檢測(cè)的靈敏度大幅提高。
[0032]為了在模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC輸出的數(shù)字信號(hào)中有效地分離出分布電容Cd的分量，濾波 器通過對(duì)感應(yīng)電容Cf和分布電容Cd的變化進(jìn)行頻譜分析而獲得。在本實(shí)施例中，人體手指 感應(yīng)導(dǎo)致的感應(yīng)電容Cf變化的頻率一般大于5Hz，而觸控按鍵分布電容Cd會(huì)因環(huán)境影響導(dǎo) 致的分布電容Cd變化的頻率一般小于IHz，因此采用一個(gè)頻譜特性較好的濾波器就可W把 分布電容Cd的分量提取出來，并可通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后送到放大器PGA的 負(fù)輸入端，如此即可有效地提取出感應(yīng)電容Cf的分量。經(jīng)過W上處理后最終模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 輸出的數(shù)字信號(hào)值可由下列公式表示：
[0033] VADC=k*Cf=G(U-kl*Cd);
[0034] 其中VADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸出值，k為整個(gè)觸控檢測(cè)電路的增益，G為放大器 PGA的增益，kl為觸控電路輸入端經(jīng)過放大器PGA及濾波器到放大器PGA負(fù)端的增益。運(yùn)樣通 過檢測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸出值就能夠得到觸控按鍵的電容值及其變化值，由于整個(gè)回路 的增益可W達(dá)到普通觸控檢測(cè)電路增益的10倍W上，因此采用運(yùn)種檢測(cè)方法可W實(shí)現(xiàn)高靈 敏度的觸控檢測(cè)功能。
[0035] 為了增進(jìn)了解，下面再簡(jiǎn)單說明各組件功能(如圖2):
[0036] 低壓差線性穩(wěn)壓器LD0,用于產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓，此電壓作為高頻恒流脈沖發(fā)生 器的電源；
[0037] 高頻恒流脈沖發(fā)生器由可預(yù)置分頻器、8輸出多路選擇器和不同輸出電流的8個(gè)恒 流開關(guān)組成;可預(yù)置分頻器將忍片內(nèi)部的系統(tǒng)時(shí)鐘根據(jù)預(yù)設(shè)值分頻為設(shè)定頻率的觸控掃描 時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)分別送給8輸出多路選擇器和由模擬乘法器組成的同步整流電路;8輸 出多路選擇器根據(jù)中央處理器CPU的設(shè)定將觸控掃描時(shí)鐘信號(hào)輸出到被選定的恒流開關(guān)的 控制端，如此即可在恒流開關(guān)的輸出端輸出一個(gè)頻率和電流受CPU控制的高頻恒流脈沖，此 脈沖通過忍片的引腳輸出到觸控按鍵感應(yīng)片并作為觸控電容檢測(cè)的激勵(lì)源;可預(yù)置分頻器 和8輸出多路選擇器的參數(shù)設(shè)定由CPU通過8位預(yù)存器3和8位預(yù)存器4進(jìn)行控制；
[003引高頻恒流脈沖將會(huì)在觸控按鍵感應(yīng)片上產(chǎn)生一個(gè)交流電壓，其電壓值跟感應(yīng)電容 Cf、分布電容Cd之和成反比，運(yùn)個(gè)信號(hào)經(jīng)過由模擬乘法器組成的同步整流電路后在電容 Cmod上產(chǎn)生一個(gè)直流電壓U。
[0039] 可變?cè)鲆娣糯笃鱌GA有兩個(gè)輸入端(正輸入端和負(fù)輸入端)和一個(gè)輸出端，其放大 增益由中央處理器CPU通過8位預(yù)存器1進(jìn)行控制?？勺?cè)鲆娣糯笃鞯恼斎攵伺c模擬乘法 器的輸出相連，其輸入電壓即為電壓U，可變?cè)鲆娣糯笃鞯呢?fù)輸入端接到8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC 的模擬輸出端，可變?cè)鲆娣糯笃鞯妮敵鼋拥?6位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，即可得Vin=G 化-V0UT)，其中G為PGA的放大增益；
[0040] 16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字量，此數(shù)字信號(hào)被送到CPU進(jìn) 行處理。
[0041] 可變帶寬低通濾波器包括CPU, CPU讀到ADC輸出的數(shù)字信號(hào)后即開始根據(jù)設(shè)定的 帶寬和增益進(jìn)行IIR低通濾波計(jì)算，濾除采樣信號(hào)中的高頻分量后輸出到8位預(yù)存器2作為 DAC的數(shù)字輸入。CPU進(jìn)行數(shù)字低通濾波計(jì)算的帶寬和增益參數(shù)可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合靈活 配置；
[0042] 8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出到PGA的負(fù)輸入端。
[0043] W上各電路模塊即構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的觸控電容檢測(cè)系統(tǒng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高靈敏度電容觸控按鍵，包括與并聯(lián)的感應(yīng)電容及分布電容電性相連的發(fā)生器 及整流電路，還包括穩(wěn)壓器、電源單元以及放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和濾波器，其特 征在于:發(fā)生器與電源單元之間通過穩(wěn)壓器建立連接;整流電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及整流電 路與數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間均通過放大器建立連接，同時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間通過濾波 器建立連接。2. 如權(quán)利要求1所述的高靈敏度電容觸控按鍵，其特征在于:感應(yīng)電容為可感應(yīng)人體手 指觸摸的電容，分布電容為觸控按鍵感應(yīng)片電容。3. 如權(quán)利要求2所述的高靈敏度電容觸控按鍵，其特征在于:發(fā)生器為高頻恒流脈沖發(fā) 生器，包括分頻器、多路選擇器和恒流開關(guān)，分頻器為可預(yù)置分頻器。4. 如權(quán)利要求3所述的高靈敏度電容觸控按鍵，其特征在于：放大器為可變?cè)鲆娣糯?器，包括正輸入端和負(fù)輸入端以及輸出端。5. 如權(quán)利要求4所述的高靈敏度電容觸控按鍵，其特征在于:濾波器為可變帶寬低通濾 波器，包括中央處理器、預(yù)存器，其中：正輸入端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，負(fù)輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器 相連。6. 如權(quán)利要求5所述的高靈敏度電容觸控按鍵，其特征在于:模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用16位模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。7. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的高靈敏度電容觸控按鍵，其特征在于:整流電路為同 步整流電路。
【文檔編號(hào)】G06F3/044GK205620981SQ201620320963
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日
【發(fā)明人】程君健, 翟冠杰, 李含民, 陳應(yīng)雁, 呂文君
【申請(qǐng)人】深圳市賽元微電子有限公司