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电容式触摸按键设计与编程

作者: 澳门十大正规网赌网址陈振林   信息来源:    发布时间: 2020年07月06日 10:49

 一、案例综述

随着电子产品的交互体验的更新迭代,电容触摸按键正扮演着重要的角色,尤其是在家用电器领域,诸如遥控器、开关、电磁炉、电饭锅、洗衣机等电子设备。电容触摸按键相对于传统的机械式按键,不会因环境条件的改变或长期使用发生性能变化,具有可穿透、抗干扰能力、防水能力、易于清洗、高灵敏度、高可靠性以及低成本等明显优势。

实际应用中,要实现高稳定性能的电容触摸按键,需要触摸芯片以及硬件电路设计具有一定的高稳定性。触摸芯片必须满足用户在复杂应用中对稳定性、灵敏度、功耗、响应速度、防水、带水操作、抗震动、抗电磁干扰等方面的高体验要求,以保证对环境变化具有灵敏的自动识别和跟踪功能。触摸芯片的软件程序开发对于触摸灵敏度的调整也相对复杂,因此,对于软件程序编写也需要调整设计得到适合的触摸灵敏度阈值。

通过本案例的学习,让学生在学习专业知识的同时,认识科技创新的重要性,要坚持科技立国的理念,弘扬爱国主义精神、科学精神和奋斗精神,自觉担当国家赋予的青春使命。

二、案例解析

1. 思路与理念

在电容式触摸技术出现之前,科学家经过了上百年的摸索与实践。首先从一个“莱顿瓶”说起。

莱顿瓶是由荷兰物理学家马森布洛克在1745-1746年间发明的。马森布洛克是荷兰莱顿人,故莱顿瓶因此而得名。那个“瓶子”就是一个电容。

电容(或电容量, Capacitance)指的是在给定电位差下的电荷储藏量,国际单位是法拉(F)。一般来说,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上;造成电荷的累积储存,最常见的例子就是两片平行金属板度,也是电容器的俗称。

因此,随着对电容量的认识深化,电容式触控技术的出现逐渐替代了机械按键,由于具有耐用、低成本、易于实现等特点,逐渐成为触摸控制的首选技术。

电容式感应触摸按键可以穿透绝缘材料外壳 8mm (玻璃、塑料等等)以上,准确无误地侦测到手指的有效触摸。并保证了产品的灵敏度、稳定性、可靠性等不会因环境条件的改变或长期使用而发生变化,并具有防水和强抗干扰能力,超强防护,超强适应温度范围。

通过电容触摸按键设计与编程案例的学习,让同学们了解到电容触摸按键的原理,硬件电路的设计以及软件程序的编写,提高同学们电路设计的能力,能把专业知识应用到实践中去,树立科技立国的理念,为国家培养合格的电子信息类人才。

2. 设计与实施

电容式触摸感应是通过测量面板和环境电容变化来检测是否有触摸时间发生。人体手指触摸时,会存在一定电容,构成了电容板的一极,电容的另一极是PCB板铜皮,两级之间添加介质使得变成一个电容器,如下图所示:

 

触摸传感器电路可以测量触摸引脚上路径的总电容,当路径上总电容变化量超过阈值,会判定为“手指触摸”。下图是电路板路径上电容分布:

 

触摸传感器的读取数值是上表所有电容共同作用的结果,其中Ccomponet、Ctrace 、Celectrode通常被称为寄生电容Cp (即未发生触摸动作时的电容)。Ctouch是发生触摸动作时的电容。当寄生电容Cp越小,Ctouch 越大时,触摸动作越容易被系统检测到,即灵敏度就越高。

任何两个导电的物体之间都存在着感应电容,一个按键即一个焊盘与大地也可构成一个感应电容,在周围环境不变的情况下,该感应电容值是固定不变的微小值。当有人体手指靠近触摸按键时,人体手指与大地构成的感应电容并联焊盘与大地构成的感应电容,会使总感应电容值增加。

电容式触摸按键芯片在检测到某个按键的感应电容值发生改变后,将输出某个按键被按下的确定信号。电容式触摸按键因为没有机械构造,所有的检测都是电量的微小变化,所以对各种干扰会更加敏感,因此触摸按键设计、触摸面板的设计以及触摸芯片的选择都十分关键。

因此在设计触摸传感器电路时,最重要的设计就是降低寄生电容Cp ,同时提高触摸电容Ctouch。

减少寄生电容Cp的方法:

Ø 减少走线长度

Ø 优化PCB布局

增大触摸电容Ctouch的方法:

Ø 减少电路板与面板即覆盖层的厚度

Ø 覆盖层与电容紧密贴合,选择介电常数大的覆盖层

Ø 增大触摸电极面积

程序设计的思路如图所示:

 

void TPAD_Reset(void)函数:复位TPAD。设置IO口为推挽输出输出0,电容放电。等待放电完成之后,设置为浮空输入,从而开始充电。同时把计数器的CNT设置为0。

TPAD_Get_Val()函数:获取一次捕获值(得到充电时间)。复位TPAD,等待捕获上升沿,捕获之后,得到定时器的值,计算充电时间。

TPAD_Get_MaxVal()函数:多次调用TPAD_Get_Val函数获取充电时间,获取最大的值。

TPAD_Init()函数:初始化TPAD。在系统启动后,初始化输入捕获。先10次调用TPAD_Get_Val()函数获取10次充电时间,然后获取中间N(N=8或者6)次的平均值,作为在没有电容触摸按键按下的时候的充电时间缺省值。

TPAD_Scan()函数:扫描TPAD。调用TPAD_Get_MaxVal函数获取多次充电中最大的充电时间,跟tpad_default_val比较,如果大于某个阈值tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,则认为有触摸动作。

void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)函数:输入捕获通道初始化。可以使用任何一个定时器,M3使用定时器5,M4使用的定时器2。

在程序的设定下,计算机可以自己处理数据问题,把人类从繁复的运算中解放出来,组成程序的核心之一便是算法。

算法(algorithm),在数学和计算机科学之中,是处理各类问题的具体运算步骤,常用于计算、数据处理和自动推理。

算法中的指令描述的是一个计算,当其运行时能从一个初始状态和初始输入开始,经过一系列有限而清晰定义的状态最终产生输出。这是算法方面的一些粗略的解释。

算法在中国古代文献中称为“术”,最早出现在《周髀算经》、《九章算术》。特别是《九章算术》,给出四则运算、最大公约数、最小公倍数、开平方根、开立方根、线性方程组等诸多算法,三国时代的刘徽也给出求圆周率的算法:刘徽割圆术。

从唐代开始,关于算法论述的书就一直在出现,比如:唐代的《算法》、宋代的《杨辉算法》、元代的《丁巨算法》、明代的《算法统宗》、清代的《开平算法》,这些书籍关于算法的论述,足以彰显我国古代的算术方面的发达。

3. 实效与经验

通过学习STM32单片机应用系统的软、硬件基本原理和设计方法,使学生掌握STM32的基本原理以及控制技术,初步掌握现代电子系统的设计方法,培养其分析和解决工程实际问题的能力,同时培养学生的创新能力。

第一,通过本案例的学习,培养严谨的科学态度。任何知识的获取,都是经过前人无数的实践得来的。本案例中,在设计触摸传感器电路时,最重要的设计就是降低寄生电容Cp ,同时提高触摸电容Ctouch,这两个电容的取值恰当与否影响触摸的灵敏度。正如习近平主席讲话中提到,广大青年人才要树立科学精神,在继承前人的基础上不断超越。

第二,通过本案例的学习,培养创新精神。在常见的家用电器领域,诸如遥控器、开关、电磁炉、电饭锅、洗衣机等电子设备都有应用到电容式触摸按键。那么,在其它不同领域中,电容式触摸按键能否能够得到推广和应用,这些留给同学们在今后的工作中去实践和创新。正如习近平主席在欧美同学会成立100周年讲话中提到,创新是一个民族进步的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力,也是中华民族最深沉的民族禀赋。

第三,通过本案例的学习,培养合格的电子信息类人才。通过电容触摸按键设计与编程案例的学习,让同学们了解到电容触摸按键的原理,硬件电路的设计以及软件程序的编写,提高同学们电路设计的能力,为国家培养合格的电子信息类人才。正如习近平主席在青年科技创新人才座谈会中提到,要牢固树立人才资源是第一资源的理念,更好地实施人才强国战略,努力建设一支能够站在世界科技前沿、勇于开拓创新的高素质人才队伍。

第四,通过本案例的学习,认识中国优秀的传统文化,弘扬爱国主义精神。在程序编写的教学中,组成程序的核心之一便是算法。而从唐代开始,关于算法论述的书就一直在出现,比如:唐代的《算法》、宋代的《杨辉算法》、元代的《丁巨算法》、明代的《算法统宗》、清代的《开平算法》,这些书籍关于算法的论述,足以彰显我国古代的算术方面的发达。认识中国优秀的传统文化,增强同学们的民族自豪感和历史文化认同感,弘扬爱国主义精神。

 

三、案例反思

1.创新之处

在本案例中,根据电子信息专业的特点,在教学中培养学生的专业知识的应用能力以及创新能力的同时,将思政教育也融入到工科专业课程的教学过程中。

第一,在本案例中,结合电子信息专业的特点,强调学生的动手实践,在教学中培养学生的专业知识的应用能力。根据电容触摸按键的原理,进行硬件电路的设计以及软件程序的编写,提高同学们电路设计的能力,在获取专业知识的同时,也不断提高应用的能力,把专业知识用到解决实际问题中来。

第二,在本案例中,学生在动手实践的基础上,培养学生的创新能力。根据电容触摸按键的原理,在前人的基础上,设计开发更灵敏的触摸材料,编写更优质的程序代码,根据不同应用的需要,可以把专业知识用到不同场合,解决生活中遇到的各种需要电容式触摸按键的问题。

第三,在本案例中,将思政教育融入到工科专业课程的教学过程中。根据电容触摸按键编程的原理,设计程序代码的核心是算法。算法在中国古代文献中称为“术”,最早出现在《周髀算经》、《九章算术》中。因此,将专业教学目标和课程德育目标相结合,在知识传授中融入价值引领,增强历史文化的认同感。

2.下一步改进措施

第一,本案例着重于科技创新的教学,侧重于学生知识技能的培养,这是工科专业课的特点。

但是,在素质教育全面发展的当今社会,高校的工科专业亦需要逐渐树立起价值塑造、能力培养、知识传授三位一体的教学目标。通过深入挖掘蕴含在课程中的思政教育资源,结合课程本身的知识点,将专业教学目标和课程德育目标相结合,在知识传授中融入价值引领,通过适当的教学设计与教学方法,将思政教育融入工科专业基础课程的教学过程中,做好全方位的课程思政工作。

第二,本案例使用的是ST公司生产的STM32系列芯片,作为电容可触摸按键的微控制处理单元,国家半导体产业急需培养高技术人才。

中国制造成就中国道路,中国智造蕴含中国智慧。要培养“中国制造2025”急需的“新工科”人才,首先要引领广大学生对中国智慧和中国道路真听、真懂、真信,只有对中国道路有充分信心,对中国制造业转型发展有准确把握,才能将中国智慧转化为鼓舞自己立足行业主动进步的不竭动力。

 

 

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