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          基于電容式觸摸按鍵技術的七彩燈設計

          發布時間:2013-07-24 14:10:02寶威科技瀏覽:

               隨著電子科學技術的不斷發展,觸摸輸入方式已經在眾多領域得到了應用。傳統的普通機械按鍵使用壽命只有十幾萬次,相比之下,由于觸摸輸入方式采用非接觸式按鍵技術,其使用壽命遠遠超過機械按鍵,可靠性也不會隨著時間的增加而降低。另外,觸摸按鍵的外觀簡潔、操作方便、靈敏準確等優點,也使得觸摸按鍵輸入方式具有很高的實用性和操控性,以及很好的發展前景。

              觸摸輸入方式可以根據選用的觸摸傳感器類型的不同而分為電阻式、電波式、電磁式、光學式、電感式和電容式。以上每種觸摸方式都有著其獨特的性能優點,從而可以適用于不同場合。而電容式觸摸輸入方式的制造工藝成本低廉、檢測便捷準確,并且硬件免維護,因此作為最主要的觸摸輸入方式。本文利用芯片的GPIO口模擬PWM輸出控制RGB三色LED燈頭配比出七種顏色的燈光效果,并采用電容式觸摸按鍵技術實現開關機、顏色循環和顏色改變的功能,很好地將電容式觸摸按鍵技術與實際應用結合為一體。

              1 硬件電路設計

              1.1 主控模塊

              按照本設計的特點及需求,選用BF6911AS10電容式觸摸按鍵控制芯片。該芯片共有16個引腳,內含10個電容式觸摸感應通道,每個觸摸按鍵都能獨立運行,通過芯片內置的升壓電路,可方便地調節觸摸按鍵靈敏度,其中有8個通道可復用為GPIO口。該芯片內置主頻為24MHz的單片機內核以及用于使外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步的PLL(鎖相環)模塊;并帶有LDO(低壓差線性穩壓器)模塊,可提高電源的信噪比。

              電容式觸摸是利用人體電流感應進行工作的。當給觸摸工作面通上很低電壓時,由于人是零電勢體,手指在觸摸工作面時,手指的電場會和工作面形成耦合電容,而電容在高頻電流中變為導通,因此手指會從接觸點吸走很小的電流,電容式觸摸控制電路則可檢測到微弱的電流變化,從而實現按鍵檢測。該芯片內置防水和基線更新算法,可以很好地適應環境變化,從而使得耦合電容較為穩定。因此BF6911AS10是一款適用于需準確而穩定地檢測按鍵信息的芯片。

              1.2 外圍硬件模塊

              系統以BF6911AS10電容式觸摸按鍵控制芯片作為主控,外接6個觸摸按鍵、RGB三色LED燈模塊、5V鋰電池以及帶鋰電池充電保護功能的充電電路。

              1.2.1 電源模塊

              電源模塊包括鋰電池充電電路及鋰電池保護電路。充電電路采用QX4054鋰電池充電管理控制芯片。該芯片內含高精度比較器、恒流控制電路、充電狀態指示電路以及過充過熱保護電路。QX4054具有電路集成度高、功能齊全、外接元件少、可靠性高等優點,非常適合便攜式設備使用。鋰電池保護電路采用DW01芯片,該芯片內置高精度的電壓檢測與時間延遲電路,可以避免鋰電池因過度充放電、電流過大導致電池壽命縮短或電池被破壞。系統采用5V鋰電池供電,由于系統整體功耗非常低,因此可保持長時間工作。當電池電壓不足時,便可通過DC座插孔對電池進行充電,并配有LED作為充電指示燈。

              1.2.2 燈源模塊

              根據設計所需產生七種不同顏色的彩光,燈源模塊采用5V供電的RGB三色LED燈頭。RGB燈是以三原色共同交集成像,可以根據需要進行配比混色。由于BF6911AS10不具備三個PWM(脈寬調制)功能的通道,因此只能采用主控的三個GPIO口配合軟件編程模擬PWM輸出控制RGB三色燈。通過三路模擬PWM功能分別控制紅、綠、藍三種顏色LED燈接通的時間,改變它們的占空比,從而配比成所需的彩虹七色,占空比最高設置為50%。三色燈通道分別由三極管進行驅動并串有限流電阻保護LED燈,燈源模塊電路圖如圖2所示。

              1.2.3 觸摸按鍵模塊

              本設計采用6個觸摸按鍵,集成于一塊觸摸滑條上。其中1個按鍵作為多功能點動按鍵,短按時開關機,長按時則顏色循環漸變。其余5個按鍵同時支持點動與滑動用于改變燈光顏色。主控通過檢測觸摸按鍵信息完成開關機、顏色循環、顏色改變的功能。當主控檢測到改變顏色的功能按鍵被觸發時,會調整RBG三色燈各自占空比從而配比輸出相對應的顏色。為了使按鍵檢測更加精準,需要在每個觸摸通道與主控之間串上2k電阻以減小干擾,同時應盡量保持每個觸摸通道與主控距離相等。

              2 系統軟件設計

              系統軟件使用C語言編寫,采用前后臺方式構建和運行。主函數實現了系統前臺中電流源自適應調節、按鍵循環掃描、判斷觸摸通道、執行通道功能的大循環,流程圖如圖3所示。

              系統初始化包括了Timer 0初始化、I/O口初始化以及觸摸通道初始化等。Timer 0初始化中,將其設定為16位定時器,并給定時器0賦以初值。I/O口初始化中設定3個通道為GPIO口用于模擬輸出PWM功能,另有6個通道作為觸摸按鍵使用。觸摸通道初始化中執行電流源的初始化以及觸摸基線初始化。電流源初始化后,通過電流源自適應的調節,可將由環境或噪聲等因素對觸摸通道掃描造成的干擾進行一定程度的抵消和降低,提高了觸摸掃描的精度和穩定性。觸摸基線初始化中提供了基線的參考值與誤差范圍,用于計算并判斷被觸摸的通道。主循環中將看門狗定時器設定為2.3s定時,需進行喂狗以防程序跑飛或死循環等錯誤,若未及時喂狗,則系統自動復位。

              另有函數用于實現系統后臺中斷服務功能,包含定時器0中斷和按鍵中斷。定時器0中斷通過調用其服務子程序調整RGB三色燈各自占空比,控制高低電平時長,配比出相應的顏色;按鍵中斷通過調用其服務子程序進行按鍵的循環掃描,在掃描過程中,通過程序計算手指觸摸值與基線的差值來判斷被觸摸的通道,從而根據被觸摸的不同通道執行其相應的功能。

              在6個觸摸按鍵中,1個按鍵作為多功能點動按鍵,通過計數方式判斷長短按。判斷為短按時,程序將Switch變量取反,進行開關機;判斷為長按時,程序執行Color變量的累加,進行顏色循環。其余5個觸摸按鍵將其對應的整體觸摸通道分配為七份,通過點動或滑動分別實現按順序排列的彩虹七色。所有功能均需要在開機情況下執行,在顏色循環功能執行過程中,只需觸摸任意通道便可退出循環。為了使燈光變化效果更好,程序采用計數方式執行占空比的改變,從而可實現顏色的漸變效果。

              3 結語

              隨著科學技術的不斷發展,電容式觸摸按鍵技術已經在眾多領域中得到了應用并體現出了其獨特的優勢,正在逐步替代傳統的機械式按鍵。本文將該技術與實際設計相結合,利用電容式觸摸按鍵完成了七彩燈的多種功能。在實際應用中,觸摸按鍵的精確性決定著它是否能夠準確地執行與其相對應的功能,因此該指標非常重要。本系統通過電流源自適應以及設定基線誤差范圍等方法確保了按鍵的穩定與準確。同時,不同的觸摸面板材質與厚度會對觸摸靈敏度造成影響。若觸摸靈敏度控制不當,當靈敏度過低時,會造成操作不便甚至操作無效;相反,若靈敏度過高,會造成很多誤操作導致系統不受控,所以觸摸按鍵的靈敏度也需要控制。經試用表明,系統可長時間工作、燈光效果優美、顏色漸變效果明顯。同時,觸摸按鍵精度準確、穩定性強、靈敏度高,且具有抗環境因素和噪聲干擾的能力。

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