觸摸按鍵在電子設備中得到越來越多的應用。用觸摸按鍵實現人機交互的電磁爐，微波爐，電冰箱等家電產品越來越受青睞，預計未來會有越來越多的觸摸按鍵產品取代傳統的機械式按鍵產品。觸摸按鍵具有堅固耐用，反應速度快，節省空間，美觀大方，易于清潔等諸多優點。觸摸式按鍵可分為四大類，電阻式，電容式，紅外線式及表面聲波式感應按鍵。其中電阻式，紅外線式和表面聲波按鍵主要應用于觸摸屏中，在單個按鍵中很少使用。本方案將重點討論電容式觸摸按鍵在單個按鍵中的應用。

 

電容式觸摸按鍵采用電容量為判斷標準，在觸摸按鍵的設計中，它具有一些優點，例如可直接集成在PCB中，觸摸感應區域外形尺寸設計靈活，相對成本較低等等。簡單來講，電容式觸摸按鍵在按下的時候改變了電容值，從而改變電路振蕩周期，通過對振蕩周期改變值的檢測實現對按鍵的檢測。圖1是電容式觸摸按鍵原理示意圖。

圖1：觸摸按鍵原理示意圖

 

空載狀態下，感應區域電容由材料和結構決定（圖1左上圖）,電容值為C1+C2。變化電容基于寄生效應，主要由外界導體與PAD之間的寄生電容組成（圖1右下圖），手指按下，寄生電容值變化，容值為C1+C2+C3||C4。將此電容接入電路組成振蕩器，電容值的改變導致振蕩電路輸出頻率變化，通過測量輸出頻率判斷按鍵的觸發狀態。

 

按鍵感應區域設計需要避免誤觸發以及兼顧靈敏度。通常來說，單個按鍵感應區域需要做的足夠大，以達到識別按鍵目的；相鄰按鍵感應區域應保持一定距離，避免誤觸發；觸摸感應區形狀原則上可任意，單個按鍵以圓形、方形為佳。

 

紅外遙控原理可參考文檔[2]。本文采用NEC協議編碼，簡單說是通過脈沖串之間的時間間隔來表示邏輯“0”和邏輯“1”。載波信號頻率為38k，邏輯“1”用 0.56ms 的 38k 載波和 1.5ms的無載波表示，邏輯“0”用0.56ms 的載波和0.56ms 的無載波表示，幀頭用9ms 載波加4.5ms無載波表示。編碼幀格式參考圖2，具體格式定義可根據實際情況稍作修改。

圖2：紅外編碼數據幀格式

 

TI的MSP430系列MCU自帶Timer，可方便產生38k載波，編碼時的載波有無控制可由Timer的 PWM輸出模塊實現。其PWM輸出模塊可配置成7種輸出方式，可方便實現上述編碼。采用MSP430的Timer的PWM輸出功能，僅需要一個Timer和一路PWM即可輕松實現紅外編碼，無需額外硬件，軟件實現簡單。為系統設計節省成本和開發時間。

 

 

傳統的遙控模塊采用機械按鍵實現，本方案采用觸摸按鍵設計，按鍵和顯示在同一塊LCD 屏上，外形時尚、美觀。本方案作為參考設計，除了遙控器基本功能（按鍵，顯示，發射，按鍵聲）外，還設計了充電和USB模塊，并擴展了RF和NFC接口。可充電方式提高了靈活性，用戶僅需要充電而不必更換電池。USB模塊可實現和PC端應用軟件通信。本方案不僅僅是遙控器方案，在其他應用領域，本方案也有很大的參考價值，用戶僅需要根據需求對本方案功能模塊進行裁剪即可。本方案電源模塊支持電池供電和USB或直流適配器充/供電；觸摸按鍵采用比較器B實現；RF和NFC模塊采用SPI和MCU接口；MSP430自帶的USB模塊可方便與PC端應用軟件接口，實現PC和MCU的雙向通信。系統框圖如圖3所示。

圖3：系統框圖

 

本系統采用電池供電，且設計了充電電路，支持USB或直流充電。電源經LDO穩壓后輸出3.3V供給MCU，保證MCU工作電壓的穩定。其電路實現如下圖4所示。

圖4：電源模塊電路設計

 

 

MSP430F6638自帶LCD控制器，可方便地驅動段式LCD屏。屏幕背光亮度由Timer輸出PWM波控制，調節方便。背光電路設計如圖5所示。通過改變PWM的頻率和占空比，可改變背光亮度，從而改變LCD屏視覺效果。

圖5：背光電路設計

 

 

MSP430F6638自帶比較器B，最多可支持12個觸摸按鍵，比較器B的輸出接入Timer的CLK輸入端，當手指按下，觸摸感應區電容值發生了變化，比較器翻轉周期變長，比較器輸出作為 Timer的計數脈沖，在固定的時間內計數值變小，根據固定時間內Timer計數值的變化來判斷按鍵動作。通過合適配置寄存器和軟件算法處理，可實現觸摸按鍵檢測。電路設計如圖 6所示。注意為了降低噪聲，每通道外接電阻不宜過小，可選500k左右。比較器B 翻轉電平通過配置寄存器實現。

圖6：觸摸按鍵電路設計

 

紅外模塊采用普通紅外管實現，通過配置Timer輸出合適的PWM波實現紅外編碼。紅外發射瞬間電流較大，通過MCU的GPIO控制三極管驅動紅外發射燈管，提高發射電流。紅外發射模塊需配合接收模塊采用同樣的編碼格式實現通信。紅外模塊電路圖如圖7 所示。

圖7：紅外發射模塊

 

 

MSP430F6638自帶USB模塊，可實現USB通信，其硬件設計簡單。本文用USB虛擬UART實現和PC通信。關于USB調試請參考TI官網資料[4]。

 

 

 

系統軟件流程如圖8所示。無按鍵動作時，系統運行RTC，顯示當前時間，溫度且把時間，溫度以及按鍵狀態（每個按鍵動作有無）信息發送給PC。當有按鍵按下后，除了上述功能外，系統還將執行按鍵上層邏輯，比如是否進入時間設定模式，是否開蜂鳴器以及發射哪種紅外碼等等。

圖8：軟件流程圖

 

為了方便實現人機交互，使用C Sharp語言開發了配套的PC端軟件實現和MCU的雙向通信。通過PC端軟件可查看DEMO的當前狀態，包括時間，溫度，按鍵動作等，另外也可通過PC端改變DEMO背光的亮度。PC端軟件如圖9所示。

圖9：PC端軟件

 

DEMO通過USB線與PC端COM口連接，MSP430F6638的USB通過軟件協議虛擬UART，在PC端選擇合適的COM端口號可實現PC軟件和DEMO的互連。圖9中左圖反映DEMO的實物，當有按鍵按下的時候，對應的按鍵圖標閃爍一下，同時在記錄框輸出文字記錄這個動作(Button xx Pressed!)。最下面圖表則實時顯示當前溫度信息。

 

 

DEMO實物如圖10所示。鍵盤區12個按鍵，每個按鍵按下圖標會閃爍一下，同時蜂鳴器會響 0.3s左右。每個按鍵做了不同功能，可根據需求發射不同的紅外碼實現遙控器的功能。演示DEMO 中代碼支持RTC和溫度計功能，支持靈活調整時間，同時可通過PC端軟件來調節屏幕背光。DEMO還可擴展光傳感模塊，可根據環境光強弱智能調節背光亮度，達到較好的視覺效果。

 

該DEMO具有通用性，在所有需要顯示和人機交互的微控制系統中均可參考此方案，只需對FW 做簡單修改即可實現所需功能。同樣，MSP430系列眾多的產品線為客戶提供了不同成本的多種選擇。客戶可根據具體需求選擇合適的MCU和合適的代碼模塊組合，以實現最高的性價比。

圖10：DEMO實物

 

本方案使用MSP430F6638作為主處理器，展示了用其實現觸屏遙控器的電子模塊設計實例。在遙控器，無線設備以及其它需要按鍵和顯示的應用場合均可參考本方案。MSP430富的產品線也為前述應用場合提供了豐富的選擇，客戶可根據具體需求選擇合適的產品，達到最優性價比。