1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于电容触摸感应的数字键盘设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 本文介绍了基于微处理器的可编程片上系统（ PSoC）芯片的 CapSense 电容触摸感应数字键盘的设计，介绍了 PSoC 单片机 的结构特点，应用，设计优势，简述了电容感应的工作原理、应用特点、发展技术，并通过 PSoC 芯片设计及其优化，实现了触摸感应式数字键盘的控制。整个系统的设计 主要是依靠 PSoC 技术，通过外部焊盘连接到 PSoC 的 I/O 口，通过 PSoC 来感应输入信号，通过处理判断，最
2、后输出相应的结果 。系统中 PSoC 程序主要完成对输入信号的检测，量化成数字信号，处理和 判断包括（滤波，按键的动作判定，定时等），而后输出信号。 控制系统以 PSoC 为核心装置，根据工艺要求合理选配 PSoC 机型和 I/O 接口和合适的焊接 PCB 板，控制系统可实现手 指触摸到 PCB 板的相应按键时，就会在显示电路上有相应的结果，系统具有良好的安全运行和保护措施。 关键词 ： PSoC；电容感应；触摸感应 - 2 - Abstract This paper introduces microprocessor-based programmable system on chip (PS
3、oC) CapSense capacitance touch keypad design, induction PSoC microcontroller introduced the characteristic of structure, the application, design advantage, described the working principle, capacitive sensing application characteristic, development technique, and through PSoC chip design and optimiza
4、tion, realized the touch inductive digital keyboard control. The whole system design is mainly rely on PSoC technology, through the external welding plate connected to PSoC I/O mouth, through the PSoC to induction input signal, through processing judgment, finally outputs corresponding results. PSoC
5、 program mainly completes in the system of the input signal detection, quantification into digital signals, processing and judgment including (filtering, buttons judgement, timing, etc) movement, and then the output signal. Control system to PSoC as the core device, according to the technical requir
6、ement PSoC reasonable selecting model and the I/O interface and proper welding PCB, control system can realize the fingers to the PCB corresponding button, will be in the display circuit have corresponding results, the system has good security and protection measures. Key words: PSoC； CapSense； Touc
7、h sensor - 3 - 目 录 1 绪论 .1 1.1研究背景和意义 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 主要研究内容 .2 1.4 论文内容概述 .3 2 电容触摸感应的原理 .4 2.1 触摸感应技术的发展 .4 2.2 电容触摸感应的原理 .5 2.3 电容触摸感 应技术的应用 .6 2.4电容感应触摸按键的优势 .6 3 PSOC单片机概述 .8 3.1 PSOC的结构和设计开发流程 .8 3.1.1 PSoC的结构 .8 3.1.2 PSoC的设计开发流程 .10 3.2 PSOC的应用与设计优势 . 11 3.2.1 PSoC的应用 . 11 3.2.2 PSoC的特
8、点和设计优势 . 11 3.3 PSOC的开发工具 .13 4 系统硬件设计 .15 4.1系统设计总体方案 .15 4.2 PSOC单片机控制模块 .16 4.3电容感应触摸按键的设计 .17 4.3.1 按键 .18 4.3.2 形状和尺寸 .18 4.3.3 按键间距 .19 4.3.4按键离地距离 .19 4.3.5 注意事项及其要素 .20 4.4 电源模块设计 .21 4.5显示模块电路设计 .21 5 系统软件设计 .24 6 总结 .30 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .31 附录 1 硬件设计电路图 .32 附录 2 PCB板设计图 .33 - 1 - 1 绪论
9、 1.1 研究背景和意义 常规的按键有机械式按键和触摸感应式按键两种。机械式键盘是最早被采用的结构，一般类似金属接触式开关的原理使触点导通或断开，具有工艺简单、维修方便、手感一般、噪声大、易磨损的特性，大部分廉价的机械键盘采用铜片弹簧作为弹性材料，铜片易折易失去弹性，使用时间一长故障率升高，所以现在已基本被淘汰，取而代之的是触摸感应式键盘。它是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小 甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，具有噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘，但工艺较机械结构
10、复杂。 电容式键盘由于工艺更加简单成本更低所以更受到普遍应用。与机械式键盘相比，它最大的两个特点是使用弹性橡胶制作的弹簧取代了机械金属弹簧，同时由机械键盘的 触电 连通转为通过按键底部和键盘底部的两个电容极板距离的变化带来的电容量变化来获得按键的信号 1。 与机械式键盘相比，电容 触摸感应式 键盘的手感有了很大的变化，变得轻柔而富于韧性，这种手感一直延续到今天，成为目前键盘的主流设计 。 触摸按键可以增加设计的灵 活性，它可以根据需要设计成为一个较完整的结构，这样有些便携式产品，用电容式触摸感应按键可以在最大程度上让产品外观具有浑然天成的效果！电容触摸感应技术还在不断地发展，越来越多的应用到各
11、种类型的电子设备中，实现控制功能的更小巧，更整洁也更灵活 1。而 现在许多人正在使用的很多电子产品中，都可能用到触摸感应设计，例如触摸屏的手机，汽车电子，计算机，白色家电，我们看到的大部分产品都有用到控制面板，而控制面板上会出现按键，滑条，键盘等，都很有可能用到触摸感应。 采用电容触摸感应技术来设计键盘，具有重要意义 :它更可靠， 更耐用，因为它是密封的，没有多余的外部器件；它也更美观，更纤细，更具有个性，拥有更友好的界面；同时节约了成本，简化了生产；它的功耗更低，可以通过接近式检测唤醒休眠。 - 2 - 1.2 国内外研究现状 早在 1971 年， hurst 博士就提出了电子触摸界面的设想
12、，至 1974 年开始出现最早的触摸屏，从早期的相关专利来看，它们都是着眼于检测压力的电阻式技术。渐渐的，诸如电容式，声表面波技术的还有红外波束遮断等其他技术出现，并且都在各自的应用领域内找到了一席之地，尤其是电容触摸技术。它的出现使人机交互的方式产生了革命性的变化， 使人们体验到了更容易，更神奇的人机交互方式 2。它可以应用到带触摸按键或触摸屏的手机，作为标配的笔记本计算机的触摸板和自动取款机上的触摸屏等等。 CapSense 电容触摸感应固有的美观和性能可以使你的产品比较有特色，并且 CapSense 还支持接近性触摸，可以探测到移动物体。 CapSense 电容触摸感应的基础，它对于人机
13、接口来讲是一个突破性的方式，它可以替代机械按键、开关、拨号盘、键盘滑条等。 1.3 主要研究内容 本课题要求了解触摸感应技术，特别是要理解和掌握电容式触摸感应的原理。目前电子设备的按键大多采用 机械式按钮或接近开关来设计，随着电子技术的发展，触摸感应技术越来越多的应用到家用电器、手持式电子产品中，电容式触摸感应技术具有无接触式信息输入、耐用、防水、防电磁干扰等特点，随着技术的不断进步和完善，目前越来越多的电子产品应用这一技术 2。 本论文主要研究设计一个基于电容触摸感应的数字键盘，应用 Cypress 的产品 PSoC 器件进行开发，实现 3*4 矩阵式的数字按键系统。学习基本的嵌入式系统设计
14、的方法，掌握 Cypress Express 开发软件的操作，完成电容式触摸按键 PCB板的设计等任务。 主要研究内容如 下： 1.设计一个基于电容触摸感应的数字键盘； 2.确定设计方案，选择合适的 PSoC 单片机； 3学会 Cypress Express 开发软件的操作，完成电容式触摸按键 PCB 板的设计； 4设计相应的显示电路； - 3 - 5完成 PSoC 器件的内部模块的设计以及程序的编写等工作 。 1.4 论文内容概述 本论文第一章阐述了电容触摸感应设计的意义及其应用范围，第二章介绍了电容触摸的感应原理及其检测方法；第三章专题介绍了应用于电容触摸感应设计的 PSoC 单片机 ,主
15、要分析了 PSoC 单片机的结构特点、应用范围和开发工具等；第四 章论述了电容感应式数字键盘设计的硬件系统方案和具体实现方法；第五章论述了系统软件设计的流程及具体程序的设计，最后总结了设计过程中的心得体会。 本论文附有详细的设计原理图和 PCB 布局布线图，可供相关设计人员借鉴和参考。 - 4 - 2 电容触摸感应的原理 数字键盘是电子产品中随处可见而又必不可少的输入设备。目前常用的数字键盘都是机械式的。然而 ,随着产品和应用的不断发展 ,对按键也开始有了新的要求 ,例如 ,在工业环境中要求按键能防尘等 ,在消费类产品中用户要求按键超薄和美观时尚等等。另一方面 ,随着检测技术的不断发展 ,对这
16、些新 的需求有了实现的可能。在这种背景下 ,触摸按键等按键检测技术 ,正在成为当前大家设计和实现的重点之一。 2.1 触摸感应技术的发展 触摸技术是近年研究的热点之一。大家知道，在前几年大屏幕触摸技术开始被应用于一些公共场所的检索设备，在近年也开始流行在消费类产品如手机屏幕上采用触摸式屏幕。在这些系统中，均采用点阵式的结构来感应手指的存在，所以需要复杂的信号发送和接收设备来确定手指的具体位置，一般需要采用价格较昂贵的专用芯片来完成，并需要配以较强功能的 CPU 来做计算处理和判定 3。 随着消费需求的发展，现在触摸技术 开始从大屏幕向触点型按键发展，从少量的大系统向大量的消费类应用发展。由于触
17、摸按键方案实际上并不需要真正的按键材质 ,只需要一个薄薄的铜箔层，所以它提供了一种时代性的进步，即它使按键厚度几乎为零！由于没有了按键的厚度和重量，易于实现超轻超薄的设计。超轻超薄的特性在今天的消费类产品设计和应用中是非常受用户青睐的，是目前消费类产品发展的一个方向。 目前已经有的触摸按键的检测技术 ,包括 :电阻性薄膜测量 ,场效应检测和电容感应式检测。但是，电阻性薄膜测量和场效应检测这两种触摸检测技术都有一定的缺陷性，譬如高成本，高损耗率 等，不便于在消费类产品上大规模应用 4。而电容感应式的触摸按键检测技术，是最近才出现的一种新的研究方向 ,迄今为止还没有成熟的公开的设计方案。在个别文章
18、中，曾经介绍过国外目前有采用ASIC 芯片来实现电容感应检测，但是采用 ASIC 芯片的实现方式，设计不够灵活且按键数目受限不易扩展。 基于 PSoC 这种可编程的单片机，采用软件和硬件相结合的设计方式，设计- 5 - 和实现了一种低成本，设计灵活而且易实现易扩展的电容感应式触摸按键系统。 2.2 电容触摸感应的原理 触摸感应从原理上来说，有基于电阻变化的触摸感应技术，有基于电容 变化的触摸感应技术，也有基于声波的触摸感应技术和基于红外线的触摸感应技术等。各种触摸感应技术有其各自的特点和应用场合。其中，基于电容变化的触摸感应技术具有结构简单，稳定性好，灵敏度高等特点。主流的触摸感应技术使用的是
19、电容感应原理，结合现代微电子技术集成电路能够可靠的捕捉手指的触摸信息。 在以前，由于控制电路相对复杂，成本相对较高使其应用也比较少。而最近几年，由于集成电路技术的快速发展，使得基于电容变化的触摸感应技术也获得了飞速进展，从而使这种技术变得越来越纯熟。使基于电容变化的触摸感应技术不仅可以实现触摸按 键，触摸滑条，还可以实现触摸板和触摸屏等功能。具有多触点和手势识别功能的触摸屏就是使用基于电容变化的触摸感应技术来实现的。 电容感应检测的基本原理是：两个相邻的金属导体间会产生电容，在按键位置，采用 PCB 上的铜箔做成按键形状 ,就形成一个电容性的开关。当导电元件接入 (譬如手指触摸 )会使电容性开
20、关上的电容发生改变 ,会比平常时候的电容值要大。通过对该电容持续充放电和检测充电电压的改变 ,即能检测到电容的变化 ,从而判断是否有导电元件的接入 ,即是否有手指触摸。 图 2-1 电容感应式按键的工作原理模型 - 6 - 如图 2-1， 电容触摸按键的基本原理是：中低层的介质一般为 PCB 板、柔性电路板的基材，中间层为导电的铜箔，上层为绝缘的覆盖物。相邻的两个导体之间会产生一个寄生电容，当在覆盖物下如（玻璃）有地和接触按键并且它们都是覆铜，它们两者之间就会产生电容 Cp，一般为 10pF300pF，在触摸按键和地之间还会产生边缘电场 ,穿过覆盖物，而人就是导体，当人的手指碰到边缘电场时，就
21、会增加导体的表面积，那么在触摸按键和手之间就会产生一个电容 CF，通常有 1pF10pF，电容感应按键与地的电容就会变为 Cx,用公式表示是，当没手指时， Cx=Cp，有手指时为 Cx=CF+Cp，由 CapSense 系统所测量的总电容 Cx就是寄生电容 Cp 和触摸电容 CF 的综合。当手指靠近，增加了其间的电场强度，电力线密度也随之上升，感应电容也就随之增加。应用这种电容变化的原理，我们可以设计专门的检测电路来获取人体手指有无接触“按键”的信息，然后应用获取的信息去实现电子系统的控制任务。 2.3 电容触摸感应技术的应用 触 摸感应按键已经被越来越多的应用在家电和工业产品中用于取代传统的
22、机械按键和簿膜按键。由于触摸感应按键使得控制面板更时尚和具有更长的寿命，它也被越来越多的用户所接 受。在多种技术中，电容式触摸感应技术已经成为触摸感应技术的主流。 应用 PSoC 芯片设计的电容触摸感应系统 电路简单，输出接口丰富，提供脉冲、锁定等输出接口 ， 是取代机械 按钮 、开关、金属触摸电路的 最 好选择！ 它广泛应用于 音响面板、电话机控制键盘、仪器仪表控制面板、洗衣机控制面板、智能门禁系统控制面板、各种小家电（电磁炉、消毒柜、微波炉 .） ， 已经覆盖家用电器、手持设备、工业控制、汽车电子、军用产品等几乎所有涉及到控制按键操作面板的应用领域。 2.4 电容感应触摸按键的优势 使用电容式 触摸 感应设计 ,设计师可以把传统 的机械按键换成电容式的触摸感应按键 这样可以增加设计的灵活性，因为电容式感应按键可以 隐藏在一块完
