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1 引言 隨著觸摸按鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，觸摸式按鍵已經(jīng)在電器、移動電話、廚房設(shè)備、家電產(chǎn)品、工控開關(guān)等方面大量應(yīng)用。觸摸式按鍵與傳統(tǒng)的機械按鈕、塑料薄膜開關(guān)相比具有很多優(yōu)勢，如不存在機械磨損，耐用性好，可靠性較高，而且觸摸式按鍵界面更直觀、更易于操作。 電場傳感器MC33794是Freeseale公司推出的一種新型傳感器產(chǎn)品，適用于需要對物體非觸摸式感應(yīng)的應(yīng)用。利用MC33794設(shè)計了一種新型的觸摸按鍵控制系統(tǒng)。該觸摸按鍵系統(tǒng)通過電場傳感器的電極，可以非接觸感知手指的按鍵情況。該系統(tǒng)設(shè)計只需一個微控制器和MC33794就可實現(xiàn)對按鍵的觸摸檢測和控制，電路相對簡單，適用于許多家用電器。 2 電場傳感器MC33794簡介 MC33794內(nèi)部能夠產(chǎn)生低電平電場，所有功能均集成于單芯片中，可測量由于物體在電場中移動而造成的電場負(fù)載。該器件產(chǎn)生的低頻正弦波的頻率可通過外部電阻調(diào)節(jié)，最優(yōu)頻率為120 kHz。此正弦波含有極少的的諧波分量，可以避免產(chǎn)生諧波干擾。它是行業(yè)內(nèi)唯一可產(chǎn)生及檢測低電平電場并支持微控制器的集成電路。MC33794適用領(lǐng)域： (1)家用電器可輕松植入自動開關(guān)功能。如果在某些電器的控制端中嵌入幾個電極，這些電器被移動時就會自動啟動，而放回原處時又會自動斷電關(guān)閉。另外還可嵌入更多的電極，并定義這些電極的功能，從而能讓使用者通過輕微觸動這些電極控制家用電器。 (2)能夠方便地實現(xiàn)包括液位檢測、溢出檢測和濕度檢測等應(yīng)用。例如，可對爐火進(jìn)行編程控制，當(dāng)爐上的液體被加熱至沸騰溢出時，爐火能夠自動減小或關(guān)閉。 (3)應(yīng)用在觸摸屏輸入中，而無需薄膜開關(guān)或昂貴的多層電阻式觸摸板，也無需接觸式的機械裝置就可以感應(yīng)到輸入情況，因而能消除接觸式機械裝置常碰到的磨損、灰塵和腐蝕等問題，尤其適合在惡劣環(huán)境下工作。 (4)在汽車安全中的應(yīng)用。Elesys公司在其SeatSentry乘客保護(hù)系統(tǒng)中采用了飛思卡爾的MC33794電場式成像器件來探測乘客的身型和位置，以決定是否需要彈出安全氣囊，避免乘客因氣囊彈出而受傷。 由此可見，飛思卡爾公司推出的這款電場傳感器集成電路，擴展了該傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍，可用于消費品、電器和工業(yè)等領(lǐng)域，提高了這些領(lǐng)域設(shè)備的可靠性和易用性。 3 MC33794工作原理 MC33794工作原理如圖l所示。由其產(chǎn)生的低頻正弦波用以驅(qū)動電極，當(dāng)電極的電場發(fā)生變化時，相應(yīng)的電容值發(fā)生改變，測得的電壓與1/C成正比，即電容增加則檢測的電壓減少。圖1中的檢波器和低通濾波器均在MC33794片內(nèi)，使用時只需接10 nF電容。 4 觸摸按鍵系統(tǒng)設(shè)計 4．1 觸摸按鍵的設(shè)計原理 電場傳感器能感知電場中物體在三維空間內(nèi)的移動，如圖2所示。當(dāng)手掌進(jìn)入電極產(chǎn)生的電場區(qū)域后。電極上的電流會有相應(yīng)的變化，從而感知手掌距電極的距離。 采用玻璃的介電常數(shù)εr為7．8，玻璃厚度為4 mm，電極面積為2 cm2，使用單個電極為1個按鍵，則可有9個按鍵，如果需要更多的按鍵，則可用2個或2個以上電極組合構(gòu)成1個按鍵，比如用2個電極構(gòu)成1個組合按鍵，最多可達(dá)45個按鍵。一般構(gòu)成1個按鍵的電極不要超過4個，因為電極越多，電場越弱，不好檢測。 當(dāng)手指觸摸玻璃表面時，電極間的電容值發(fā)生變化，MC33794的引腳LEVEL輸出電壓發(fā)生變化，就可知道手指是否觸摸玻璃。 4．2 觸摸按鍵硬件設(shè)計 主控MCU選用Freescale公司的MC9S12DGl28B單片機。該單片機集成有采樣頻率為140 KS／s的10位A／D轉(zhuǎn)換器、定時器、多達(dá)91個I/0端口、SCI等接口。 系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示。將MC33794的A、B、C、D接到9S12DGl28的PA端口，通過軟件控制I/0端口輸出，選擇需要采樣的電極。MC33794共9個電極可以使用，可根據(jù)實際情況構(gòu)成所需的按鍵。 當(dāng)手指觸摸玻璃時，MC33794輸出信號大約有0．2 V的下降，該信號變化經(jīng)過放大器放大約1V送入S12的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行檢測并加以處理。 4．3 軟件設(shè)計 觸摸按鍵系統(tǒng)的軟件主要由主程序、初始化模塊、觸摸靈敏度模塊、讀電極電壓值模塊、數(shù)字濾波模塊以及按鍵功能子模塊等組成，主程序流程如圖4所示。 初始化模塊主要初始化定時器、A/D轉(zhuǎn)換器等，以及設(shè)置單片機總線速度。要求A／D轉(zhuǎn)換器時鐘頻率約為1 MHz。 通過改變靈敏度參數(shù)調(diào)整所有按鍵的靈敏度，以適應(yīng)不同的玻璃面板。 當(dāng)觸摸控制器不“工作”時，在軟件上將微控制器設(shè)定為“低功耗喚醒”模式，同時保持在按鍵按下時能快速響應(yīng)，這種模式可用于在人接觸時喚醒產(chǎn)品。 5 結(jié)語 提出了利用電場傳感器MC33794和微控制器MC9S12DGl28B構(gòu)成的觸摸按鍵系統(tǒng)，對其進(jìn)行一系列實驗，已應(yīng)用到自動化儀表的人機界面的按鍵部分，電路簡單、可靠，取得了較好的效果。 |
