1、本科毕业设计（20 届）基于 STM8 单片机的电容触摸按键设计与实现所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 1基于 STM8 单片机的电容触摸按键设计与实现【摘要】根据智能家居双控触摸开关项目的需求，提出一种工艺成本低、检测方便的输入方式，给出系统的软件控制流程，基于 STM8 系列单片机技术对触摸按键进行软硬件设计，实现一个适合安装在 86 盒的触摸开关。经测试，在实际运行环境中，证明该系统运行稳定，使用灵活，在低成本的电路中适用性较强。【关键词】STM8；按键；触摸；软件STM8 microcontroller based design and
2、 implementation of capacitive touch buttonsAbstract Based on intelligent household dual touch switch control requirements of the project, put forward a kind of process, lower cost, and convenient detection input mode, software control flow of the system is given, based on STM8 series single chip mic
3、rocomputer technology to touch keys for software and hardware design, to achieve a suitable touch switch installed in 86 boxes. After the test, in the actual operation environment, proved that the system runs stably, flexible use, with a strong applicability in low-cost circuit.Key Words STM8;button
4、s; touch; soft. 2目录1绪论 .11.1 引言 .11.2 触摸按键技术的研究现状与发展趋势 .11.3 本毕业设计的主要工作 .12. 电容式触摸技术的基础 .22.1 电容触摸感应按键的基本原理 .22.2 RC 感应原理 .22.3 RC 硬件实现 .32.4 RC 软件实现 .43系统方案设计 .53.1 触摸开关系统结构组成 .53.2 触摸开关系统方案的优点 .54. 系统硬件设计 .64.1 单片机最小系统电路设计 .64.2 触摸按键检测电路设计 .64.3 面板 LED 背光指示电路设计 .74.4 电源供电系统的电路设计 .84.4.1 AC-DC 电源变换
5、电路设计 .84.4.2 LDO 线性稳压电路设计 .94.5 交流电过零检测电路设计 .94.6 驱动电路设计 .114.6.1 继电器驱动电路设计 .114.6.2 蜂鸣器驱动电路设计 .115.系统软件设计 .125.1 软件设计方法 .125.2 软件总体设计 .125.3 软件流程图 .136.结束语 .14致谢 .14参考文献 .14附录 1 系统原理图 .15附录 2 系统 PCB 版图 .16附录 3 系统源程序 .1711绪论1.1 引言在传统的按键输入检测系统中，主要还是以机械式按键和电阻式触摸按键为主，为解决传统的机械式按键方式易磨损，寿命短等问题，市面上的消费类电子产品
6、逐渐正式采用电容式触摸感应按键，以取代传统机械式的按键。电容式触摸按键的特点是按键美观、造价低廉，机构简单易于安装，防水防污，耐用、寿命长 3，还能提供滑动条的功能。但是电容式触摸按键也有很多的问题，因为没有机械结构，所有的检测都是电量的微小变化，所以对于各种干扰敏感得多。针对此趋势，ST 意法半导体公司推出了一个基于 STM8 系列的 8 位通用且内置控制器（MCU）功能的电容式触摸感应按键（Capacitive Touch Sensor）方案无需增加专用触摸感应芯片，在硬件上仅结合简单的外围检测电路即可轻松实现电容式触摸感应的检测，在软件上使用软件滤波算法去屏蔽各种复杂环境的干扰，整套方案
7、灵活、成本低、工作可靠，不需要开模等优点 7，更方便客户进行二次开发。1.2 触摸按键技术的研究现状与发展趋势当今电子产品市场中，智能手机、平板电脑、MP3 等便携式电子产品都在逐渐开始使用触摸技术来作为人机交互。触摸控制技术又可分为触摸屏技术和触摸按键技术 5。在触摸技术方面，目前使用较多的是电阻式触摸按键与电容式触摸按键。电阻式的触摸按键由多块导电薄膜按照按键的位置印制而成，需要在设备表面贴一张触摸薄膜。电阻式触摸按键虽然价格低廉，但其导电膜耐用性比较低。因此，电容式触摸按键便成了一种理想的替代方案。电容式触摸按键具有在非金属操作面板上无须开孔处理、防水防污、易清洁、无机械开关且寿命长等优
8、点。近几年随着苹果公司将电容触摸感应技术从笔记本引用到 iPod 后，电容触摸感应已经逐渐应用在目前几乎所有的电子产品，从笔记本电脑、智能手机、PDA 、游戏机等手持设备，到 ATM 机、银行排队取号机等自助终端产品，再到冰箱、空调、洗衣机、热水器、电磁炉等小家电，无不以加入电容触摸感应为创新的卖点。目前，世界知名电子元件生产商均加大了对电容式触摸按键的应用研究，并推出众多的专用的电容触摸感应芯片，也有众多基于 MCU 集成类的 IC。电容式触摸技术具有灵敏度高、分辨率高、清晰度高的特点，其技术的发展潜力很大，因而目前采用较多的触摸屏还是电容式的。随着相关技术的发展，电容式触摸性能将更加完善，
9、种类还会日渐增多，应用范围更加广泛。1.3 本毕业设计的主要工作本毕业设计选用 ST 意法半导体公司的 STM8S003F3P6 芯片为程序控制微处理器，处理触摸按键是否被按下，LED 指示灯是否发光，继电器是否工作，从而判断按键是否可控可响应，完成触摸开关的设计。本毕业设计先进行对整个系统的软硬件功能规划，完成系统总体方案的设计。然后进行各个相关子模块电路的详细设计，设计完善的功能电路。再对 PCB 进行 Layout，完成 PCB 设计并送至厂家加工，然后完成成硬件焊接的所有工作，再而完成软件的编写，并结合硬件板对整个系统进行联调，最终得到一个功能完善的产品。再者是毕业论文的撰写，完成一个
10、大学里面完整的毕业设计。22. 电容式触摸技术的基础2.1 电容触摸感应按键的基本原理电容式触摸感应按键的基本原理就是一个不断地充电和放电的张弛震荡器，如果不触摸开关，张弛震荡器有一个固定的充放电周期，频率是可以测量的 4。如果我们用手指或者触摸笔接触开关，就会增加电容的介电常数，充电周期就会相应减小。所以，我们要不停测量周期的变化。就可以侦测触摸动作。具体测量的方式有两种：(1).测频法：可以测量频率，计算时间内的固定周期数。如果在固定时间内测到的周期数较原先校准的为少，则此开关便易视为被按压。(2).测周法：即在固定的张弛周期间计算系统时钟周期的总数 8。如果开关被按压，则张弛震荡器的频率
11、。会减少，则在相同次数周期会测量到更多的系统时钟周期。2.2 RC 感应原理RC 采样原理就是通过测量触摸电极电容的微小变化，来感应人体对触摸式感应器的触摸。电容C 通过一个固定电阻周期性地充放电。电容值取决于以下几个参数：电极面积(A)，绝缘体相对介电常数（R） 、相对空气湿度（0） 、以及两个电极之间的距离（d） 。电容值可由下列公式计算得出：C=（R*0*A ）/dRC 采样的基本结构图如下图 2.2.1 所示，固定电压施加在 VIN 两端，V OUT 的电压随着电容值的变化而相应的增加或降低，如图 2.2.2 所示。图 2.2.1 RC 网络上的压降图 2.1.2 测量充电时间通过计算
12、 VOUT 的电压达到阀值 VTH 所需要的充电时间（t C） ，来得到电容值（C ） 。在触摸感应应用中，电容值（C）由两部分组成：固定电容（电极电容 CX）和当人体触摸或者接近电极时，由人手带来的电容（感应电容，C T） 。电极的电容应该尽可能的小，以保证检测到人手触摸。如图 2.1.3 所示。因为通常人手触摸与否，带来的电容变化一般就是几个 pF(通常 5pF)。利用该原理就可以检测到手指的是否触摸了电极。3图 2.1.3 是否触摸感应2.3 RC 硬件实现在本系统设计中，只需要很少的微控制器开销，硬件资源只需要一个定时器捕获，硬件实现如图2.3.1 所示。由 R1，R2 以及电容电极（
13、C X）和手指电容（C T）并联的电容（大约 5pF）,形成一个 RC网络，通过对 RC 网络充放电时间的测量，可以检测人手的触摸。所有电极共用一个 “负载 IO”引脚。电阻 R1 和 R2 尽量靠近 MCU 放置。电阻的阻值选取在几十千欧到几百千欧，此电阻用于调节触摸检测的灵敏度。电阻小灵敏度较高，可较少对噪声的影响。图 2.3.1 电容触摸感应实现实例42.4 RC 软件实现为了保证健壮的电容触摸感应的应用，充电时间的测量需要足够的精确。使用普通定时器进行充电时间的测量。对电容充电开始之前，定时器的计数值被记录下来，如图 2.4.1 所示。当采样 I/O 端口上的电压达到某个阀值（V TH
14、）时，再次记录定时器的值。二者之差就是充电或者放电的时间。图 2.4.1 定时器计数器值为了提高在电压和温度变动情况下的稳定性，会对电极进行连续两次的测量：第一次测量对电容的充电时间，直到输入电压升至 VIH. 。第二次测量电容的放电时间，直到输入电压将至 VIL 。具体如图 2.4.2 所示。图 2.4.2 电容充放电时间的测量针对于上图 2.4.2 所示，以下将对电容充放电时间的测量对感应电极（感应 I/O）和负载 I/O 引脚上的操作流程说明。步骤 描述1 1. 负载 I/O 引脚设置成输出模式，输出 VDD；2. 感应 I/O 引脚设置成输出模式，输出 VDD；3. 保存定时器计数器的
15、初始值（vih_start） ；2 1. 感应 I/O 设置成输入高阻模式 Hi-Z，于是电极电容 CX 开始充电；3 当感应 I/O 引脚上的电压达到 VIH ；1. 保存定时器计数器的值（vih_stop） ，并由此计算达到高电平 VIH 的时间（vih_stop -vih_start）,并保存；2. 感应 I/O 引脚设置成输出模式，输出 VDD；3. 负载 I/O 引脚设置成输出模式，输出到地；4. 保存定时器计数器的初值（vil_start） ；4 感应 I/O 引脚设置成输入高阻模式，于是电极电容 CX 开始放电；5 当感应 I/O 引脚上的电压将至 VIL ;1. 保存定时器计数
16、的值（vih_stop） ，并由此计算到低电平 VIL 的时间（vih_stop -vih_start） ，并保存；2. 将两次测量值“vih_meas”和“vil_meas”相加并保存；3. 重复步骤 1 的操作。53系统方案设计3.1 触摸开关系统结构组成根据功能的定义，本系统即最终设计实现触摸按键然后执行电子开关动作响应。如下图 3.1.1 所示为本系统结构组成图。以 MCU 微控制器为核心，分为信号输入采集和输出执行单元，在硬件需要PCB 触摸电极即触摸板、市电过零检测、灯光指示、声音指示、电子开关等模块组成的功能。M C U市电过零检测声音指示灯光指示电子开关触摸板I N TI OI
17、 OI OI O图 3.1.1 触摸开关系统结构组成图3.2 触摸开关系统方案的优点本系统即实现用继电器去控制各种各样的灯光、电器等等各式各样用电器的电源通断。当使用继电器控制 AC220V 用电设备时，如果在 AC220V 的峰值附近闭合，则会产生很大的火花，将会影响继电器的寿命并产生各种电磁干扰，如果在 AC220V 的过零点处闭合，将会减少影响，实现无火花不打火。本系统方案通过 AC 的过零点检测再下一个交流周期的零点实现继电器导通是本设计的最大优点；其次本系统是属于触摸型开关，在用材用料方面大量的节约铜合金材料，同时对于机械结构的要求大大减少。它直接取代传统触摸开关，操作舒服、手感极佳
18、、控制精准且没有机械磨损。同时，触摸开关更具有人性化的关怀，在开关触摸位置上可以丝印对应的文字提示，个性化的文字提示呈现出更美观的效果，面板且采用水晶面板，LED 透过水晶面板发出淡淡的微光，让深夜不再是完全的漆黑，足以让人形成方位和轮廓感，用户再也不用在漆黑的夜中找不着开关的烦恼了。64. 系统硬件设计4.1 单片机最小系统电路设计MCU 采用 ST 意法利 STM8S 系列单片机，STM8S 是基于 8 位框架结构的微控制器，该 MCU 是16MHz 的哈佛结构和先进的 STM8 内核，3 级流水线，性能较传统 8 位机有非常大的优势，选用该款MCU 在本系统中满足需求并且有几点优点： 价
19、格：出货量巨大，成本极低，性价比极高 资源：8K ROM 、1K RAM 资源足够本系统使用 外设：1 个 SPI 接口、1 个串口，内部多个定时器等 速度：主频 16MHZ 运行速率， SPI 接口访问速率最大高达 8M。建立一个 STM8 系统必须有以下几个部分组成：电源、复位电路、时钟、仿真与调试接口。具体如下说明： 电源：STM8S 工作在 2.9-5.5v 的宽电源范围内。本系统采用 3.3.v 供电 复位电路：采用 RC 复位即可满足系统要求 时钟：STM8 可以选择三种时钟源：HIS(内部高速时钟 )、LSI（内部低速时钟） 、HSE（外部高速时钟） ，在本系统中采用 HIS(内
20、部高速时钟)再经过 2 分频的时钟作为主时钟 仿真与调试接口：STM8 所有系列单片机都是通过 SWIM 接口仿真与编程的，而 SWIM 接口只需要 3 根线连接就足够了，所以设计的时候非常简便，只要引出单片机的 SWIM 引脚、RESET 引脚和GND 引脚做成个接口，STM8 仿真器即可对该单片机进行仿真、调试、下载程序。根据 STM8S 硬件特性和系统需求，设计如图 4.1 的最小系统电路。0KRnFCVPAvcapESTD45/XNOIU79_BMW-uzerqLodG.Y图 4.1 STM8S 最小系统4.2 触摸按键检测电路设计本系统中触摸按键检测只需要简单的外围 RC 电路组成再
21、配合内部定时器即可实现触摸按键的检测，如图 4.2 所示的虚线框，由 PB5_Load 引脚发出固定的频率通过 R2 和 C4 组成固定的振荡周期，7当人体没去触摸 TOUCH PAD，PB4_Acq 引脚接收到的充放电是固定的，当人体触摸到 TOUCH PAD的时候，由于人体相当于一个接大地的电容，因此会在 TOUCH PAD 触摸片和大地之间形成一个感应电容，感应电容与 C4 并联，电容变大，振荡周期变长，因而单片机 PB4_Acq 引脚检测到周期变长即可判断按键是否被压按了。 10KRnFC3V52p4GNDEYTOUHPAvcaS/X6I89_BMW-uzerqLodh.图 4.2 触摸按键检测电路4.3 面板 LED 背光指示电路设计面板上 LED 背光灯的作用是指示目前在本系统中指示当前的开关状态，其另外一个作用是让用户在漆黑的夜中很容易找到开关的具体位置，具体电路设计如图 4.3 背光指示电路所示。在面板的中心位置安装两颗 LED，红色 LED 表示开关开的状态，蓝色 LED 表示开关关的状态，在硬件上只需一个IO 口再加个三极管对其蓝色 LED 进行反相驱动。 kQ图 4.3 面板背光灯指示电路
