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1 引言 隨著觸摸按鍵技術的不斷發展，觸摸式按鍵已經在電器、移動電話、廚房設備、家電產品、工控開關等方面大量應用。觸摸式按鍵與傳統的機械按鈕、塑料薄膜開關相比具有很多優勢，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品，適用于需要對物體非觸摸式感應的應用。利用MC33794設計了一種新型的觸摸按鍵控制系統。該觸摸按鍵系統通過電場傳感器的電極，可以非接觸感知手指的按鍵情況。該系統設計只需一個微控制器和MC33794就可實現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內部能夠產生低電平電場，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載。該器件產生的低頻正弦波的頻率可通過外部電阻調節，最優頻率為120 kHz。此正弦波含有極少的的諧波分量，可以避免產生諧波干擾。它是行業內唯一可產生及檢測低電平電場并支持微控制器的集成電路。MC33794適用領域： (1)家用電器可輕松植入自動開關功能。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)能夠方便地實現包括液位檢測、溢出檢測和濕度檢測等應用。例如，可對爐火進行編程控制，當爐上的液體被加熱至沸騰溢出時，爐火能夠自動減小或關閉。 (3)應用在觸摸屏輸入中，而無需薄膜開關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，尤其適合在惡劣環境下工作。 (4)在汽車安全中的應用。Elesys公司在其SeatSentry乘客保護系統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，擴展了該傳感技術的應用范圍，可用于消費品、電器和工業等領域，提高了這些領域設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。由其產生的低頻正弦波用以驅動電極，當電極的電場發生變化時，相應的電容值發生改變，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，使用時只需接10 nF電容。 4 觸摸按鍵系統設計 4．1 觸摸按鍵的設計原理 電場傳感器能感知電場中物體在三維空間內的移動，如圖2所示。當手掌進入電極產生的電場區域后。電極上的電流會有相應的變化，從而感知手掌距電極的距離。 采用玻璃的介電常數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個以上電極組合構成1個按鍵，比如用2個電極構成1個組合按鍵，最多可達45個按鍵。一般構成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。 當手指觸摸玻璃表面時，電極間的電容值發生變化，MC33794的引腳LEVEL輸出電壓發生變化，就可知道手指是否觸摸玻璃。 4．2 觸摸按鍵硬件設計 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轉換器、定時器、多達91個I/0端口、SCI等接口。 系統的硬件電路如圖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，可根據實際情況構成所需的按鍵。 當手指觸摸玻璃時，MC33794輸出信號大約有0．2 V的下降，該信號變化經過放大器放大約1V送入S12的A／D轉換器進行檢測并加以處理。 4．3 軟件設計 觸摸按鍵系統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轉換器等，以及設置單片機總線速度。要求A／D轉換器時鐘頻率約為1 MHz。 通過改變靈敏度參數調整所有按鍵的靈敏度，以適應不同的玻璃面板。 當觸摸控制器不“工作”時，在軟件上將微控制器設定為“低功耗喚醒”模式，同時保持在按鍵按下時能快速響應，這種模式可用于在人接觸時喚醒產品。 5 結語 提出了利用電場傳感器MC33794和微控制器MC9S12DGl28B構成的觸摸按鍵系統，對其進行一系列實驗，已應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。 |
