电荷转移感应按键设计说明书

1、电荷转移感应按键设计说明书摘 要：本文主要讲述电容电荷转移理论，并根据此 理论设计电荷转移电路，最终由电荷转移电路与倍压脉冲发 生器实现电荷转移感应按键功能。此感应按键可应用于玻 璃、塑料等作为面板的非接触式人机操作输入。关键词：电荷转移；电容感应；容抗；倍压 中图分类号： TP21 文献标识码： B 概述 感应技术正在迅速地成为人机界面操作的媒介，人们在 应用并享受这种全新的技术所带来的方便、美观、无机械寿 命等好处。本文就个人研发的新型感应设计技术作详细说 明。一、电荷转移感应按键的组成 本文设计的感应按键模块有两部分组成，一部分是共用 的倍压高频脉冲发生器模块，用于给另一部分电路提供高频

2、 的脉冲信号，另一部分是感应按键能量转移电路模块。每一 路按键采用一个转移电路模块，例如产品设计两个按键，那 么只要采用一个脉冲发器模块和两个感应按键能量转移电 路模块， 再结合带 ADC 转换功能的 MCU 即可。在目前电子 产品中 MCU 是不可缺少的一部分，所以设计人员并不需要 额外增加 MCU ，就可以完成他的设计。二、电荷转移感应按键的原理 在说明原理之前我们先来了解一下电容，如图 1 所示： 电压与 IC 的相量关系为：其中：XC = 1/ 3 C,称为容抗，单位为 Q （欧姆），容 抗的倒数称为容纳 BC = 3 C,单位为S。由（式-1）可见频 率和容抗成反比， 也就是频率越高

3、，容抗越小，如图 2 曲 线所示。3 0 , |XC| a直流开路（隔直）38, |XC| 0高频短路（旁路作用）我们知道电容器的公式：&为极板与极板之间的介电常数S 为极板面积d 为极板与极板之间的间距由此我们可以知道任何导体与导体之间都存在电容，如 下图 3、图 4 所示每个电极与电极之间都有一个很小的电容， 同样的当手指与电极之间也存在电容。手指越靠近电极，根据电容急 剧增大，当然再如何增大，电容值还是很小，约为十个PF。同时结合前面讲到的容抗与频率的关系，我们设计一个 高频发生电路，使电极是一个相对手指高频变化的电压信 号，根据（式 -1 ），手指与电极之间产生电流。 到此我的结论是：

4、 因为手指靠近电极， 从而手指与电极之间产生一个耦合电容，因为电容的容抗作 用使手指与电极之间产生电流，因为电流使得电极的电荷发 生转移，根据电荷的转移理论，我们设计出感应按键能量转 移电路模块。三、倍压高频脉冲发生器如图5所示，设刚开始 PULSE电压为0V，则电源5V 经过二极管D2向C4充电。经过（t =RC）后，C4电压为 5?CVD2 （VD2 为二极管 D1 或 D2 PN 结的正向压降， 下同）。当 PULSE 由 0V 变为 5V 时，三极管 Q2 导通，三极 管 Q1 截止，电压 VA 为 5V+C4 两端电压，得出 VA=5+5?CVD2 。二极管 D1 截止，二极管 D2

5、 导通， PULSE_OUT 电压为 10?C2*VD2 。当 PULSE 电压由 5V 变为 0V 时，三极管 Q2 截止，三极管 Q1 导通， PULSE_OUT 电 压变为0V。如此循环，可得 PULSE_OUT脉冲电压为 10?C2*VD2 ，频率与 PULSE 相同。四、电荷转移电路 电荷转移电路：如图 6 所示，在无手指情况下，当脉冲 由低电平变高电平时，Ut经过C1，C2，D1，R1对C3进行充电；当脉冲由高电平变低电平时， C1， C2 经过 D2 进行放 电；放电后当脉冲又产生高电平时又经过 C1， C2， D1， R1 对 C3 进行充电，如此循环 C3 即可以得到稳定电压

6、 U0 。当 手指靠近电极时，如图 7 所示，此时人体与电极产生如图所 示的电容Cx,电容容量在几PF到十几PF。此时当脉冲由低 电平变高电平时，Ut除了通过 C1 , C2, D1 , R1对C3充电 外，还对 Cx 充电， 所以 Cx 得到了一部分电荷。 根据电路形 式 Ut 提供给 C3 的电荷明显减小； 当脉冲由高电平变为低电 平时， Cx 经过 R3 进行放电，所以脉冲电压 Ut 可以循环对 Cx 充电。也就是说每个脉冲周期都会转移一部分电荷到 Cx， C3 得到的电荷减少，电压 U0 降低。根据以上分析得出，当 手指靠近电极时， U0 电压将会降低。根据这个结论， MCU 对 U0

7、 进行 AD 采样并判断采样数据就可以知道是否有手指 靠近，从而判断是否有按键按下，实现感应按键的目的。五、软件设计本软件设计采用 AVR 单片机 ATmega 1 6 。 AVR 单片机的 推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复 杂指令计算机（CISC ）追求指令完备的做法；采用精简指令 集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码 安排在一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如 此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高 速执行指令。AVR 单片机硬件结构采取 8位机与 16位机的折中策略， 即采用局部寄存器 （ 32 个寄存器文件）和单体高速输入 /输

8、 出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应 控制逻辑）。提高了指令执行速度（ 1Mips/MHz ），克服了瓶 颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相 对简化了硬件结构，降低了成本。故 AVR 单片机在软 /硬件 开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性 价比的单片机。ATmega16有一个10位的逐次逼近型 ADC。ADC与一 个 8 通道的模拟多路复用器连接， 能对来自端口 A 的 8 路单 端输入电压进行采样。单端电压输入以0V（ GND ）为基准。器件还支持 16 路差分电压输入组合。 两路差分输入 （ADC1 、 ADC0与ADC3、ADC2 ）

9、有可编程增益级，在 A/D转换前 给差分输入电压提供 OdB（ 1x）、20dB（ 10x）或46dB （200x） 的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端（ ADC1 ），而其他任何 ADC 输入可做为正输入端。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。本设计主要采用 Atmega16 的ADC 功能，选用 8 位分辨率采用方式， 启用 ADC 中断功能。 部分程序如下：主程序：void main （ void ）/ port initialization/ Watchdog Timer initialization/ Watchdog

10、 Timer Prescaler ： OSC/128k #pragma optsize-/WDTCR=0x19 ；/WDTCR=0x09 ； #ifdef _OPTIMIZE_SIZE_#pragma optsize+#endifADC_init （）；/ Global enable interrupts#asm（ sei ）；Get_sensor_standard（）； /大约需要 1 秒钟 while （ 1）/ Place your code hereADC 中断采样程序（采样多个感应按键） ： interrupt ADC_INT void AD_INT （ void ） registe

11、r static unsigned char num； /采用 register static 可 以减少入栈及出栈时间，提高运行速度/ 设置 CD4051 通道PORTC &= 0x3e ；PORTC |= AD_CD4051_MUX1Channel ； /感应按键采样num = ADC_SensorChannel.ConvertNum ； ADC_SensorChannel.CacheValuenum = ADCH ； if ( +ADC_SensorChannel.ConvertNum =DATA_NUM )ADC_SensorChannel.ConvertNum = 0 ；for (num = 0； num = CHANNEL ) Channel = 0；/ Start the AD conversion