基于WTC6216的觸摸式按鍵設計

摘要：為降低電子產品的生產成本，美化電子產品的外觀，提升電子產品的品質，設計了一種基于單片機與WTC6216集成電路相結合帶背光的人體觸摸式按鍵電路。該電路的特點是外圍元器件少，與單片機接口電路簡單，且微功耗、抗干擾能力強、工作性能穩(wěn)定、安裝工藝簡便等，可用于制作間距較小的密集型鍵盤，因而對于消費電子產品和手持式儀器設計具有較高的實用性。
關鍵詞：鍵盤；觸摸按鍵；WTC6216；消費電子產品

隨著現(xiàn)代電子技術尤其是人機接口技術的不斷發(fā)展，觸摸式按鍵在電子產品和手持式儀器中得到越來越廣泛應用。相對傳統(tǒng)的機械式按鍵，觸摸式按鍵具有明顯的技術優(yōu)勢，不但系統(tǒng)硬件結構簡單，生產成本低，而且在使用中不易磨損損壞，提高了按鍵的使用壽命。此外觸摸式按鍵還可以增加產品外觀設計的靈活性，提升產品的品質。本文提出了一種基于WTC6216ASI集成電路的觸摸式按鍵設計方案，具有較高的實用性。

1 電容式觸摸按鍵工作原理
觸摸式按鍵可分為電阻式觸摸按鍵和電容式觸摸按鍵。任何兩個導電的物體之間都存在著感應電容，一個按鍵即一個焊盤與大地也可構成一個感應電容，在周圍環(huán)境不變化的情況下，該感應電容值是固定不變的微小值。當有人體手指靠近觸摸按鍵時，人體手指與大地構成的感應電容并聯(lián)焊盤與大地構成的感應電容，會使總感應電容值增加。觸摸按鍵芯片在檢測到某個按鍵的感應電容值發(fā)生改變后，將輸出某個按鍵被按下的確定信號。
WTC6216ASI集成電路是為實現(xiàn)人體觸摸界面而設計的電容式觸摸感應芯片，最多能支持16個相互獨立的觸摸式按鍵。使用WTC6216ASI集成電路設計的觸摸式按鍵功耗小，外圍元器件少，硬件電路結構簡單，其提供的對應輸出能與單片機直接接口。WTC6216ASI集成電路自身的設計涵蓋了EMI／EMC及高抗噪聲電路，抗干擾能力強，可以自動克服由于靜電放電、電磁干擾或污染物在鍵盤表面堆積所帶來的干擾。同時該電路具有環(huán)境溫度和環(huán)境濕度的自適應能力，能在各種惡劣環(huán)境下提供良好的精確性和操作的一致性，工作性能穩(wěn)定。此外，WTC6216ASI集成電路還具有相鄰按鍵的抑制功能，可以防止相鄰按鍵之間因相互干擾而產生的誤動作，可使用在按鍵間距較小的密集型鍵盤(按鍵間距不小于2 min)上，在日常生活的電子產品和手持式儀器設計中完全滿足技術上的要求。
WTC6216ASI使用高精度16位數(shù)字電容轉換器(CDC)檢測焊盤(電容傳感器)上感應電容值變化來識別人體手指的觸摸動作。數(shù)字電容轉換器將檢測數(shù)據輸入到內嵌的RISC處理器，RISC處理器通過可靠的高效算法對檢測數(shù)據進行處理。當RISC處理器判斷感應盤上有有效觸摸發(fā)生時，會在100 ms內發(fā)出相應的指示確定某個按鍵被按下，方便系統(tǒng)根據按鍵進行操作控制。WTC6216ASI發(fā)出的指示包含兩個部分：被按下按鍵的BCD編碼和按鍵被按下有效指示狀態(tài)。引腳data3～data0是輸出確定被按下按鍵的BCD編碼，引腳out_flag是輸出按鍵被按下有效指示狀態(tài)，其中“1”表示無有效按鍵被按下；“0”表示有按鍵被按下。引腳out_flag與引腳data3～data0的時序輸出關系如圖1所示。

2 觸摸式按鍵的硬件設計
觸摸式按鍵的硬件電路由主控電路、按鍵背光電路和觸摸按鍵檢測電路等三個部分組成如圖2所示。

主控電路選用在系統(tǒng)可編程的STC89C52單片機，該單片機具有512 B的片內RAM數(shù)據存儲器，8 KB片內FLASH程序存儲器，完全能夠滿足系統(tǒng)程序運行和數(shù)據存儲的需要。此外該單片機寬電壓工作，抗干擾能力強，能在電源環(huán)境比較惡劣下穩(wěn)定的工作。
該觸摸按鍵檢測電路支持檢測12個相互獨立的觸摸按鍵。由于WTC6216ASI芯片最大支持可使用16個相互獨立的傳感器通道，為保證WTC6 216ASI能正常穩(wěn)當?shù)墓ぷ?，空置不用的傳感器通道不能懸空，必須將它們并?lián)接在一起后用一個10 kΩ的上拉電阻與WTC6216ASI電源連接。觸摸按鍵的靈敏度由連接在引腳CSEL上的電容調節(jié)決定，而電容值的大小一般由鍵盤上的隔離介質厚薄決定，隔離介質越厚則電容值越大，一般取電容值在0．047～0．08μF之間。同時為獲得測量效果最穩(wěn)定，引腳CSEL上的電容最好使用溫度系數(shù)較小、精度5％的滌綸電容，并且在PCB布線時引腳CSEL上的電容要盡量靠近WTC6216ASI芯片。按鍵背光電路則用來指示系統(tǒng)在當前工作狀態(tài)下鍵盤的有效觸摸按鍵。

由于WTC6216ASI芯片傳感器通道測量的是電容的微小變化，因此對供電電路的穩(wěn)定性有較高的要求。在設計供電電路時要求電源的紋波和噪聲要小，注意避免由電源串入強干擾。當觸摸式按鍵直接使用主機的5 V電源時，要在WTC6216ASI芯片使用的電源之前加電源濾波電路，如圖3所示。該電路抑制電源噪聲的能力較好，但連接較大的負載時容易產生自激，因此，此電源濾波電路除對WTC6216ASI芯片供電外最好不要接其他負載。

3 觸摸式按鍵的軟件設計
根據上述觸摸式按鍵的硬件電路原理圖，該觸摸式按鍵只支持12個相互獨立的按鍵，如系統(tǒng)所需的按鍵數(shù)超過12個，則在軟件上可以對按鍵進行分頁面處理來擴展按鍵的鍵數(shù)。軟件設計最主要是不斷對引腳out_flag輸出的按鍵被按下有效指示狀態(tài)進行掃描，一旦確定有有效按鍵被按下，則立即讀取按鍵的BCD碼鍵值，并根據按鍵頁面轉換標志轉換相應頁面的鍵碼，系統(tǒng)再根據鍵碼發(fā)出操作控制指令，同時開當前狀態(tài)下鍵盤上有效觸摸按鍵的背光。雖然觸摸按鍵的靈敏度由連接在引腳CSEL上的電容調節(jié)決定，但是為獲得更合適的觸摸按鍵的手感，在測量是否有按鍵按下的效果更穩(wěn)定，有必要在軟件上對觸摸按鍵的靈敏度進行更加細膩的調整。軟件處理觸摸按鍵的程序流程圖如圖4所示。

4 PCB板的設計
WTC6216ASI芯片傳感器通道測量的是電容的微小變化，因此對PCB板設計具有一定的要求。鍵盤單個感應盤導體在PCB板上可以做成任意形狀，但為盡量避免導體的尖端放電效應，應盡可能采用圓弧形的邊沿，一般設計成直徑為10 mm的圓形。同時感應盤與WTC6216ASI芯片的連線應盡量短而細(0．1～0．3 mm)，不要跨越其他信號線，尤其是高頻、強干擾的信號線，最少與信號線之間保持有0．5 mm以上的距離。鍵盤的各個感應盤的形狀、面積應該相同，并且到WTC6216ASI芯片的距離基本上一致，以保證觸摸靈敏度的一致性。此外各感應盤的距離應該盡可能地遠離一點，以減少相互之間的干擾，也可用覆蓋地隔開，并且在感應盤的背面也覆蓋一層地，以減少電磁干擾。

5 結語
在人們日常生活中電子產品和手持式儀器中觸摸式按鍵的應用越來越廣泛。本文基于WTC6216ASI芯片設計帶背光的觸摸式按鍵，其硬件電路簡單，所用的外圍元器件較少，生產成本低，抗干擾能力強，工作性能穩(wěn)定，在市場上具有較高的競爭優(yōu)勢。同時相對傳統(tǒng)的機械式按鍵具有外形美觀，故障率低，使用壽命長，對成熟的電子產品、手持儀器的升級換代和開發(fā)新的電子產品具有較高的實用性。