电荷转移感应按键设计说明书

吴文勇

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/ωC，称为容抗，单位为 Ω（欧姆），容抗的倒数称为容纳BC = ωC，单位为 S。由（式-1）可见频率和容抗成反比， 也就是频率越高，容抗越小，如图2曲线所示。

ω→0 ， |XC|→∞直流开路（隔直）

ω→∞，|XC|→0高频短路（旁路作用）

我们知道电容器的公式：

ε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：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 （ τ=RC）后，C4电压为5–VD2 （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–VD2。二极管D1截止，二极管D2导通，PULSE_OUT电压为10–2*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10–2*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ATmega16。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）有可编程增益级，在A/D转换前给差分输入电压提供0dB（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。endprint

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 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（）；//大约需要1秒钟

while （1）

{

// Place your code here

}

ADC中断采样程序（采样多个感应按键）：

interrupt [ADC_INT] void AD_INT（void）

{

register 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_MUX1[Channel]；

//感应按键采样

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]； //完成一个通道采样

setbit（ADC_Sensor[Channel].State， AD_COMPLETE_BIT）；//设置当前通道完成标志

}

//ADC通道循环

if（++Channel >= CHANNEL） Channel = 0；

// Start the AD conversion

ADMUX = AD_MUX[Channel]；

ADCSRA|=0x40；

}

参考文献

[1]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社.

[2]Bruce Eckel.C++编程思想[M].北京：机械工业出版社.

[3]李火林，邓声南，甘筱青.数学模型及方法[M].江西：江西高校出版社.

[4]宁建国.AVR单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社.endprint

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 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（）；//大约需要1秒钟

while （1）

{

// Place your code here

}

ADC中断采样程序（采样多个感应按键）：

interrupt [ADC_INT] void AD_INT（void）

{

register 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_MUX1[Channel]；

//感应按键采样

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]； //完成一个通道采样

setbit（ADC_Sensor[Channel].State， AD_COMPLETE_BIT）；//设置当前通道完成标志

}

//ADC通道循环

if（++Channel >= CHANNEL） Channel = 0；

// Start the AD conversion

ADMUX = AD_MUX[Channel]；

ADCSRA|=0x40；

}

参考文献

[1]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社.

[2]Bruce Eckel.C++编程思想[M].北京：机械工业出版社.

[3]李火林，邓声南，甘筱青.数学模型及方法[M].江西：江西高校出版社.

[4]宁建国.AVR单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社.endprint

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 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（）；//大约需要1秒钟

while （1）

{

// Place your code here

}

ADC中断采样程序（采样多个感应按键）：

interrupt [ADC_INT] void AD_INT（void）

{

register 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_MUX1[Channel]；

//感应按键采样

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]； //完成一个通道采样

setbit（ADC_Sensor[Channel].State， AD_COMPLETE_BIT）；//设置当前通道完成标志

}

//ADC通道循环

if（++Channel >= CHANNEL） Channel = 0；

// Start the AD conversion

ADMUX = AD_MUX[Channel]；

ADCSRA|=0x40；

}

参考文献

[1]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社.

[2]Bruce Eckel.C++编程思想[M].北京：机械工业出版社.

[3]李火林，邓声南，甘筱青.数学模型及方法[M].江西：江西高校出版社.

[4]宁建国.AVR单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社.endprint