基于STM8單片機(jī)的電容觸摸按鍵設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：基于STM8單片機(jī)的電容觸摸按鍵設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué) 院： 應(yīng)用科技學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 年 級(jí)： 2010級(jí) 學(xué) 號(hào)： 120352010069 姓 名： 邵曉斌 指導(dǎo)教師： 蘇偉達(dá) 2012年4月20日基于STM8單片機(jī)的電容觸摸按鍵設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)用科技學(xué)院學(xué)院 電子信息工程專(zhuān)業(yè)120352010069 邵曉斌 指導(dǎo)老師 蘇偉達(dá)【摘要】根據(jù)智能家居雙控觸摸開(kāi)關(guān)項(xiàng)目的需求，提出一種工藝成本低、檢測(cè)方便的輸入方式，給出系統(tǒng)的軟件控制流程，基于STM8系列單片機(jī)技術(shù)對(duì)觸摸按鍵進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)適合安裝在86盒的觸摸開(kāi)關(guān)。經(jīng)測(cè)試，在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用靈活

2、，在低成本的電路中適用性較強(qiáng)。【關(guān)鍵詞】STM8；按鍵；觸摸；軟件STM8 microcontroller based design and implementation of capacitive touch buttonsScience and Technology Practising College Fujian Normal UniversityElectronic Information Engineering 120352010069 Shao Xiaobin Tutor: Su WeidaAbstract Based on intelligent household dual

3、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 microcomputer technology to touch keys for software and hardware design, to achieve a suita

4、ble 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;buttons; touch; soft. 目錄1緒論11.1 引言11.2 觸摸按鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)11.3 本畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要工作12. 電容式觸摸技術(shù)的基礎(chǔ)22.1 電容觸摸感

5、應(yīng)按鍵的基本原理22.2 RC感應(yīng)原理22.3 RC硬件實(shí)現(xiàn)32.4 RC軟件實(shí)現(xiàn)43系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)53.1 觸摸開(kāi)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成53.2 觸摸開(kāi)關(guān)系統(tǒng)方案的優(yōu)點(diǎn)54. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)64.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)64.2觸摸按鍵檢測(cè)電路設(shè)計(jì)64.3面板LED背光指示電路設(shè)計(jì)74.4電源供電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)84.4.1 AC-DC電源變換電路設(shè)計(jì)84.4.2 LDO線性穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)94.5交流電過(guò)零檢測(cè)電路設(shè)計(jì)94.6驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)114.6.1 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)114.6.2 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)115.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)125.1 軟件設(shè)計(jì)方法125.2 軟件總體設(shè)計(jì)125.3 軟件流程圖136.結(jié)束

6、語(yǔ)14致謝14參考文獻(xiàn)14附錄1 系統(tǒng)原理圖15附錄2 系統(tǒng)PCB版圖16附錄3系統(tǒng)源程序1731緒論1.1 引言在傳統(tǒng)的按鍵輸入檢測(cè)系統(tǒng)中，主要還是以機(jī)械式按鍵和電阻式觸摸按鍵為主，為解決傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵方式易磨損，壽命短等問(wèn)題，市面上的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品逐漸正式采用電容式觸摸感應(yīng)按鍵，以取代傳統(tǒng)機(jī)械式的按鍵。電容式觸摸按鍵的特點(diǎn)是按鍵美觀、造價(jià)低廉，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單易于安裝，防水防污，耐用、壽命長(zhǎng)3，還能提供滑動(dòng)條的功能。但是電容式觸摸按鍵也有很多的問(wèn)題，因?yàn)闆](méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)，所有的檢測(cè)都是電量的微小變化，所以對(duì)于各種干擾敏感得多。針對(duì)此趨勢(shì)，ST意法半導(dǎo)體公司推出了一個(gè)基于STM8系列的8位通用且內(nèi)置控

7、制器（MCU）功能的電容式觸摸感應(yīng)按鍵（Capacitive Touch Sensor）方案無(wú)需增加專(zhuān)用觸摸感應(yīng)芯片，在硬件上僅結(jié)合簡(jiǎn)單的外圍檢測(cè)電路即可輕松實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)的檢測(cè)，在軟件上使用軟件濾波算法去屏蔽各種復(fù)雜環(huán)境的干擾，整套方案靈活、成本低、工作可靠，不需要開(kāi)模等優(yōu)點(diǎn)7，更方便客戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。1.2 觸摸按鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)今電子產(chǎn)品市場(chǎng)中，智能手機(jī)、平板電腦、MP3等便攜式電子產(chǎn)品都在逐漸開(kāi)始使用觸摸技術(shù)來(lái)作為人機(jī)交互。觸摸控制技術(shù)又可分為觸摸屏技術(shù)和觸摸按鍵技術(shù)5。在觸摸技術(shù)方面，目前使用較多的是電阻式觸摸按鍵與電容式觸摸按鍵。電阻式的觸摸按鍵由多塊導(dǎo)電薄膜按照按

8、鍵的位置印制而成，需要在設(shè)備表面貼一張觸摸薄膜。電阻式觸摸按鍵雖然價(jià)格低廉，但其導(dǎo)電膜耐用性比較低。因此，電容式觸摸按鍵便成了一種理想的替代方案。電容式觸摸按鍵具有在非金屬操作面板上無(wú)須開(kāi)孔處理、防水防污、易清潔、無(wú)機(jī)械開(kāi)關(guān)且壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。近幾年隨著蘋(píng)果公司將電容觸摸感應(yīng)技術(shù)從筆記本引用到iPod后，電容觸摸感應(yīng)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在目前幾乎所有的電子產(chǎn)品，從筆記本電腦、智能手機(jī)、PDA、游戲機(jī)等手持設(shè)備，到ATM機(jī)、銀行排隊(duì)取號(hào)機(jī)等自助終端產(chǎn)品，再到冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、熱水器、電磁爐等小家電，無(wú)不以加入電容觸摸感應(yīng)為創(chuàng)新的賣(mài)點(diǎn)。目前，世界知名電子元件生產(chǎn)商均加大了對(duì)電容式觸摸按鍵的應(yīng)用研究，并推出眾

9、多的專(zhuān)用的電容觸摸感應(yīng)芯片，也有眾多基于MCU集成類(lèi)的IC。電容式觸摸技術(shù)具有靈敏度高、分辨率高、清晰度高的特點(diǎn)，其技術(shù)的發(fā)展?jié)摿艽?，因而目前采用較多的觸摸屏還是電容式的。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電容式觸摸性能將更加完善，種類(lèi)還會(huì)日漸增多，應(yīng)用范圍更加廣泛。1.3 本畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要工作本畢業(yè)設(shè)計(jì)選用ST意法半導(dǎo)體公司的STM8S003F3P6芯片為程序控制微處理器，處理觸摸按鍵是否被按下，LED指示燈是否發(fā)光，繼電器是否工作，從而判斷按鍵是否可控可響應(yīng)，完成觸摸開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)先進(jìn)行對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件功能規(guī)劃，完成系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。然后進(jìn)行各個(gè)相關(guān)子模塊電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完善的功能電路

10、。再對(duì)PCB進(jìn)行Layout，完成PCB設(shè)計(jì)并送至廠家加工，然后完成成硬件焊接的所有工作，再而完成軟件的編寫(xiě)，并結(jié)合硬件板對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，最終得到一個(gè)功能完善的產(chǎn)品。再者是畢業(yè)論文的撰寫(xiě)，完成一個(gè)大學(xué)里面完整的畢業(yè)設(shè)計(jì)。2. 電容式觸摸技術(shù)的基礎(chǔ)2.1 電容觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理電容式觸摸感應(yīng)按鍵的基本原理就是一個(gè)不斷地充電和放電的張弛震蕩器，如果不觸摸開(kāi)關(guān)，張弛震蕩器有一個(gè)固定的充放電周期，頻率是可以測(cè)量的4。如果我們用手指或者觸摸筆接觸開(kāi)關(guān)，就會(huì)增加電容的介電常數(shù)，充電周期就會(huì)相應(yīng)減小。所以，我們要不停測(cè)量周期的變化。就可以偵測(cè)觸摸動(dòng)作。具體測(cè)量的方式有兩種：(1).測(cè)頻法：可以測(cè)量頻

11、率，計(jì)算時(shí)間內(nèi)的固定周期數(shù)。如果在固定時(shí)間內(nèi)測(cè)到的周期數(shù)較原先校準(zhǔn)的為少，則此開(kāi)關(guān)便易視為被按壓。(2).測(cè)周法：即在固定的張弛周期間計(jì)算系統(tǒng)時(shí)鐘周期的總數(shù)8。如果開(kāi)關(guān)被按壓，則張弛震蕩器的頻率。會(huì)減少，則在相同次數(shù)周期會(huì)測(cè)量到更多的系統(tǒng)時(shí)鐘周期。2.2 RC感應(yīng)原理RC采樣原理就是通過(guò)測(cè)量觸摸電極電容的微小變化，來(lái)感應(yīng)人體對(duì)觸摸式感應(yīng)器的觸摸。電容C通過(guò)一個(gè)固定電阻周期性地充放電。電容值取決于以下幾個(gè)參數(shù)：電極面積(A)，絕緣體相對(duì)介電常數(shù)（R）、相對(duì)空氣濕度（0）、以及兩個(gè)電極之間的距離（d）。電容值可由下列公式計(jì)算得出： C=（R*0*A）/dRC采樣的基本結(jié)構(gòu)圖如下圖2.2.1所示，固

12、定電壓施加在VIN 兩端，VOUT 的電壓隨著電容值的變化而相應(yīng)的增加或降低，如圖2.2.2所示。圖2.2.1 RC網(wǎng)絡(luò)上的壓降圖2.1.2 測(cè)量充電時(shí)間通過(guò)計(jì)算VOUT 的電壓達(dá)到閥值VTH 所需要的充電時(shí)間（tC），來(lái)得到電容值（C）。在觸摸感應(yīng)應(yīng)用中，電容值（C）由兩部分組成：固定電容（電極電容CX）和當(dāng)人體觸摸或者接近電極時(shí)，由人手帶來(lái)的電容（感應(yīng)電容，CT）。電極的電容應(yīng)該盡可能的小，以保證檢測(cè)到人手觸摸。如圖2.1.3所示。因?yàn)橥ǔＨ耸钟|摸與否，帶來(lái)的電容變化一般就是幾個(gè)pF(通常5pF)。利用該原理就可以檢測(cè)到手指的是否觸摸了電極。圖2.1.3 是否觸摸感應(yīng)2.3 RC硬件實(shí)現(xiàn)在

13、本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只需要很少的微控制器開(kāi)銷(xiāo)，硬件資源只需要一個(gè)定時(shí)器捕獲，硬件實(shí)現(xiàn)如圖2.3.1所示。由R1，R2以及電容電極（CX）和手指電容（CT）并聯(lián)的電容（大約5pF）,形成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)RC網(wǎng)絡(luò)充放電時(shí)間的測(cè)量，可以檢測(cè)人手的觸摸。所有電極共用一個(gè)“負(fù)載IO”引腳。電阻R1和R2盡量靠近MCU放置。電阻的阻值選取在幾十千歐到幾百千歐，此電阻用于調(diào)節(jié)觸摸檢測(cè)的靈敏度。電阻小靈敏度較高，可較少對(duì)噪聲的影響。圖2.3.1 電容觸摸感應(yīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)例2.4 RC軟件實(shí)現(xiàn)為了保證健壯的電容觸摸感應(yīng)的應(yīng)用，充電時(shí)間的測(cè)量需要足夠的精確。使用普通定時(shí)器進(jìn)行充電時(shí)間的測(cè)量。對(duì)電容充電開(kāi)始之前，定時(shí)器的計(jì)

14、數(shù)值被記錄下來(lái)，如圖2.4.1所示。當(dāng)采樣I/O端口上的電壓達(dá)到某個(gè)閥值（VTH）時(shí)，再次記錄定時(shí)器的值。二者之差就是充電或者放電的時(shí)間。圖2.4.1 定時(shí)器計(jì)數(shù)器值為了提高在電壓和溫度變動(dòng)情況下的穩(wěn)定性，會(huì)對(duì)電極進(jìn)行連續(xù)兩次的測(cè)量：第一次測(cè)量對(duì)電容的充電時(shí)間，直到輸入電壓升至VIH. 。第二次測(cè)量電容的放電時(shí)間，直到輸入電壓將至VIL 。具體如圖2.4.2所示。圖2.4.2 電容充放電時(shí)間的測(cè)量針對(duì)于上圖2.4.2所示，以下將對(duì)電容充放電時(shí)間的測(cè)量對(duì)感應(yīng)電極（感應(yīng)I/O）和負(fù)載I/O引腳上的操作流程說(shuō)明。步驟描述11. 負(fù)載I/O引腳設(shè)置成輸出模式，輸出VDD；2. 感應(yīng)I/O引腳設(shè)置成輸出

15、模式，輸出VDD；3. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的初始值（vih_start）；21. 感應(yīng)I/O設(shè)置成輸入高阻模式Hi-Z，于是電極電容CX 開(kāi)始充電；3當(dāng)感應(yīng)I/O引腳上的電壓達(dá)到VIH ；1. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值（vih_stop），并由此計(jì)算達(dá)到高電平VIH 的時(shí)間（vih_stop -vih_start）,并保存；2. 感應(yīng)I/O引腳設(shè)置成輸出模式，輸出VDD；3. 負(fù)載I/O引腳設(shè)置成輸出模式，輸出到地；4. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)器的初值（vil_start）；4感應(yīng)I/O引腳設(shè)置成輸入高阻模式，于是電極電容CX 開(kāi)始放電；5當(dāng)感應(yīng)I/O引腳上的電壓將至VIL ;1. 保存定時(shí)器計(jì)數(shù)的值（vi

16、h_stop），并由此計(jì)算到低電平VIL 的時(shí)間（vih_stop -vih_start），并保存；2. 將兩次測(cè)量值“vih_meas”和“vil_meas”相加并保存；3. 重復(fù)步驟1的操作。3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1 觸摸開(kāi)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成根據(jù)功能的定義，本系統(tǒng)即最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵然后執(zhí)行電子開(kāi)關(guān)動(dòng)作響應(yīng)。如下圖3.1.1所示為本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖。以MCU微控制器為核心，分為信號(hào)輸入采集和輸出執(zhí)行單元，在硬件需要PCB觸摸電極即觸摸板、市電過(guò)零檢測(cè)、燈光指示、聲音指示、電子開(kāi)關(guān)等模塊組成的功能。圖3.1.1 觸摸開(kāi)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖3.2 觸摸開(kāi)關(guān)系統(tǒng)方案的優(yōu)點(diǎn)本系統(tǒng)即實(shí)現(xiàn)用繼電器去控制各種各樣的

17、燈光、電器等等各式各樣用電器的電源通斷。當(dāng)使用繼電器控制AC220V用電設(shè)備時(shí)，如果在AC220V的峰值附近閉合，則會(huì)產(chǎn)生很大的火花，將會(huì)影響繼電器的壽命并產(chǎn)生各種電磁干擾，如果在AC220V的過(guò)零點(diǎn)處閉合，將會(huì)減少影響，實(shí)現(xiàn)無(wú)火花不打火。本系統(tǒng)方案通過(guò)AC的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)再下一個(gè)交流周期的零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)繼電器導(dǎo)通是本設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)；其次本系統(tǒng)是屬于觸摸型開(kāi)關(guān)，在用材用料方面大量的節(jié)約銅合金材料，同時(shí)對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求大大減少。它直接取代傳統(tǒng)觸摸開(kāi)關(guān)，操作舒服、手感極佳、控制精準(zhǔn)且沒(méi)有機(jī)械磨損。同時(shí)，觸摸開(kāi)關(guān)更具有人性化的關(guān)懷，在開(kāi)關(guān)觸摸位置上可以絲印對(duì)應(yīng)的文字提示，個(gè)性化的文字提示呈現(xiàn)出更美觀的效果，

18、面板且采用水晶面板，LED透過(guò)水晶面板發(fā)出淡淡的微光，讓深夜不再是完全的漆黑，足以讓人形成方位和輪廓感，用戶再也不用在漆黑的夜中找不著開(kāi)關(guān)的煩惱了。4. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)MCU采用ST意法利STM8S系列單片機(jī)，STM8S是基于8位框架結(jié)構(gòu)的微控制器，該MCU是16MHz的哈佛結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的STM8內(nèi)核，3級(jí)流水線，性能較傳統(tǒng)8位機(jī)有非常大的優(yōu)勢(shì)，選用該款MCU在本系統(tǒng)中滿足需求并且有幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：u 價(jià)格：出貨量巨大，成本極低，性價(jià)比極高u 資源：8K ROM、1K RAM資源足夠本系統(tǒng)使用u 外設(shè)：1個(gè)SPI接口、1個(gè)串口，內(nèi)部多個(gè)定時(shí)器等u 速度：主頻16MHZ運(yùn)行速

19、率，SPI接口訪問(wèn)速率最大高達(dá)8M。建立一個(gè)STM8系統(tǒng)必須有以下幾個(gè)部分組成：電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘、仿真與調(diào)試接口。具體如下說(shuō)明：u 電源：STM8S工作在2.9-5.5v的寬電源范圍內(nèi)。本系統(tǒng)采用3.3.v供電u 復(fù)位電路：采用RC復(fù)位即可滿足系統(tǒng)要求u 時(shí)鐘：STM8可以選擇三種時(shí)鐘源：HIS(內(nèi)部高速時(shí)鐘)、LSI（內(nèi)部低速時(shí)鐘）、HSE（外部高速時(shí)鐘），在本系統(tǒng)中采用HIS(內(nèi)部高速時(shí)鐘)再經(jīng)過(guò)2分頻的時(shí)鐘作為主時(shí)鐘u 仿真與調(diào)試接口：STM8所有系列單片機(jī)都是通過(guò)SWIM接口仿真與編程的，而SWIM接口只需要3根線連接就足夠了，所以設(shè)計(jì)的時(shí)候非常簡(jiǎn)便，只要引出單片機(jī)的SWIM引腳、

20、RESET引腳和GND引腳做成個(gè)接口，STM8仿真器即可對(duì)該單片機(jī)進(jìn)行仿真、調(diào)試、下載程序。根據(jù)STM8S硬件特性和系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)如圖4.1的最小系統(tǒng)電路。圖4.1 STM8S最小系統(tǒng)4.2觸摸按鍵檢測(cè)電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中觸摸按鍵檢測(cè)只需要簡(jiǎn)單的外圍RC電路組成再配合內(nèi)部定時(shí)器即可實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵的檢測(cè)，如圖4.2所示的虛線框，由PB5_Load引腳發(fā)出固定的頻率通過(guò)R2和C4組成固定的振蕩周期，當(dāng)人體沒(méi)去觸摸TOUCH PAD，PB4_Acq引腳接收到的充放電是固定的，當(dāng)人體觸摸到TOUCH PAD的時(shí)候，由于人體相當(dāng)于一個(gè)接大地的電容，因此會(huì)在TOUCH PAD觸摸片和大地之間形成一個(gè)感應(yīng)電容，感

21、應(yīng)電容與C4并聯(lián)，電容變大，振蕩周期變長(zhǎng)，因而單片機(jī)PB4_Acq引腳檢測(cè)到周期變長(zhǎng)即可判斷按鍵是否被壓按了。圖4.2 觸摸按鍵檢測(cè)電路4.3面板LED背光指示電路設(shè)計(jì)面板上LED背光燈的作用是指示目前在本系統(tǒng)中指示當(dāng)前的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其另外一個(gè)作用是讓用戶在漆黑的夜中很容易找到開(kāi)關(guān)的具體位置，具體電路設(shè)計(jì)如圖4.3背光指示電路所示。在面板的中心位置安裝兩顆LED，紅色LED表示開(kāi)關(guān)開(kāi)的狀態(tài)，藍(lán)色LED表示開(kāi)關(guān)關(guān)的狀態(tài)，在硬件上只需一個(gè)IO口再加個(gè)三極管對(duì)其藍(lán)色LED進(jìn)行反相驅(qū)動(dòng)。圖4.3 面板背光燈指示電路4.4電源供電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中，電源電路的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，本系統(tǒng)中的供電系統(tǒng)組

22、成圖如圖4.4所示。圖4.4 供電系統(tǒng)組成4.4.1 AC-DC電源變換電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中AC-DC電源變換電路中采用TNY266PN，該芯片是一款10W高效小功率隔離式開(kāi)關(guān)電源用集成電路，芯片內(nèi)部包括一個(gè)耐壓700V的功率MOSFET開(kāi)關(guān)管、電源控制器和保護(hù)電路組成。與傳統(tǒng)的PWM控制器不同，它使用一簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制器來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。漏極電壓提供啟動(dòng)和工作能量，不需要變壓器偏置繞組及相關(guān)電路，而且還在器件內(nèi)部結(jié)合了自動(dòng)重啟動(dòng)、輸入欠壓檢測(cè)和頻率抖動(dòng)功能。具體電路如圖4.1.1所示。 圖4.4.1AC-DC電源變換電路電路工作原理：該電源使用TNY266P單片開(kāi)關(guān)電源（U1）、線性光電耦合器P

23、C718A（U2）和可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431（U3）3片集成電路。CY1為安全電容，能濾除一次、二次繞組耦合電容產(chǎn)生的共模干擾。高頻變壓器用EE16磁心。圖4.4.1中，交流電經(jīng)BD1整流完在經(jīng)過(guò)C2、L1、R2、C3等組成的濾波電路輸出穩(wěn)定的直流高壓作為啟動(dòng)電源。由R3、C4、D1組成鉗位，能吸收在“MOSFET”關(guān)斷時(shí)由高頻變壓器一次繞組漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù)“MOSFET”不受損壞。高頻變壓器輸出的高頻電壓，經(jīng)過(guò)快恢復(fù)二極管D2、C6和L2、C7整流濾波后，獲得穩(wěn)定的輸出電壓VCC。精密“光電耦合器”反饋電路由U2、U3等組成。輸出電壓VCC通過(guò)電阻分壓器R7、R8獲得采樣電壓，

24、與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生誤差電壓，再經(jīng)過(guò)光電耦合器去改變TNY266P的控制端電流，使占空比發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)VCC保持不變。改變輸出電壓可改變R7、R8的分壓比。在本系統(tǒng)中VCC輸出為5V，所以R7、R8采用阻值相等的電阻。若要改變其輸出電壓可以根據(jù)以下公式進(jìn)行調(diào)整電阻的比例實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整。VCC=(1+R7/R8)*Vref，其中Vref=2.5V4.4.2 LDO線性穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中由于AC-DC輸出的電壓紋波較大，在觸摸按鍵檢測(cè)中是電容微小的變化，要求電路中為其提供的電源要求比較高，要求電源的紋波和噪聲要小，要注意避免由電源串入的外界干擾，所以在這增加一

25、路穩(wěn)壓電路，使得輸出的供電電源電壓更具干凈、穩(wěn)定。圖4.4.2 LDO線性穩(wěn)壓電路如上圖4.2.1所示，U4采用AMS1117-3.3V的線性穩(wěn)壓器，在其輸入端輸出端加上其濾波電容濾波，使輸出電壓更平坦。4.5交流電過(guò)零檢測(cè)電路設(shè)計(jì)交流過(guò)零檢測(cè)的信號(hào)在功率調(diào)節(jié)中常有應(yīng)用，而在本系統(tǒng)中為了保護(hù)繼電器的壽命和減少產(chǎn)生各種電磁干擾也采用了過(guò)零檢測(cè)電路。具體電路如圖4.5.1 所示，電路結(jié)構(gòu)是半波檢測(cè)的，利用光電轉(zhuǎn)換特性，用微處理器檢測(cè)整形后梯形波的前后沿對(duì)應(yīng)的時(shí)間，計(jì)算得出過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻。在電路中R13-R16與U5組成輸入端，在正半波時(shí)，當(dāng)交流電壓高于U5的內(nèi)部發(fā)光管的電壓時(shí)，發(fā)光管發(fā)光，內(nèi)部光敏三

26、極管導(dǎo)通，光敏三極管被接到地，從而三極管Q3也導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)R19、R20分壓獲得跟單片機(jī)相同的電平。當(dāng)交流電的電壓低于U5內(nèi)部發(fā)光二極管的工作電壓時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管截止，Q3的基極處于高電平，Q3截止。D4防止在負(fù)半周電流損壞單向二極管，本電路中采用光耦隔離抗干擾性能好。圖4.5.1 交流電過(guò)零檢測(cè)電路如上圖4.5.1圖所示，我們對(duì)交流過(guò)零檢測(cè)的輸入輸出波形進(jìn)行了檢測(cè)，從而計(jì)算出過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間，具體的輸出輸出波形圖如下圖4.5.2所示。圖4.5.2 交流電過(guò)零檢測(cè)電路如上圖4.5.2所示，我們對(duì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，Ui在A點(diǎn)處使發(fā)光二極管導(dǎo)通，單片機(jī)檢測(cè)到第一個(gè)上升沿的時(shí)刻即t

27、1, Ui在B點(diǎn)處使發(fā)光二極管開(kāi)始截止，單片機(jī)檢測(cè)到第一個(gè)下升沿的時(shí)刻即t2，依此類(lèi)推，單片機(jī)分別檢測(cè)并記錄下C點(diǎn)、D點(diǎn)處的時(shí)間值t4與t6，則此交流電Ui的兩個(gè)波峰所發(fā)生的時(shí)刻t2與t5可由（t1+t3）/2和（t4+t6）/2計(jì)算得到。交流電源周期T1=t5-t2，這樣，從第二個(gè)波峰時(shí)刻t5到交流電源Ui的下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)E的時(shí)刻t7的時(shí)間，剛好為交流電源T1的1/4,從而我們可以很精準(zhǔn)的計(jì)算出E點(diǎn)的時(shí)刻，即：t7=t5+（T1/4）。最后單片機(jī)還需保留這三個(gè)時(shí)刻t1=t4，t2=t5，t3=t6，為下一次檢測(cè)服務(wù)2。4.6驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4.6.1 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中采用電子繼電器在交

28、流的零點(diǎn)時(shí)刻由單片機(jī)發(fā)出控制指令去控制輸出控制各種各樣的燈光或者用電器等等，具體的電路如下圖4.6.1所示。圖4.6.1 繼電器驅(qū)動(dòng)電路4.6.2 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中蜂鳴器屬于預(yù)留的功能，在實(shí)際當(dāng)中可以用于觸摸開(kāi)關(guān)模式配置成功等其他作用的提示音，具體的電路如下圖4.6.2所示。圖4.6.2 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 軟件設(shè)計(jì)方法觸摸開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的核心是單片機(jī)，在以單片機(jī)外圍硬件全部搭接完成還不能實(shí)現(xiàn)全部的信號(hào)處理功能，還需通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)里面的各個(gè)控制的功能，從而達(dá)到軟件一體化調(diào)試運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中需滿足本系統(tǒng)所以需求的功能要求，而軟件處理該觸摸式按鍵系統(tǒng)

29、的功能要求主要有以下幾個(gè)方面：（1）.檢測(cè)交流電過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻；（2）.檢測(cè)按鍵是否被按下；（3）.輸出控制背光燈與繼電器；本系統(tǒng)采用的是STM8單片機(jī)，一般單片機(jī)都采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)居多，也相對(duì)簡(jiǎn)單直觀。所以本次軟件是基于IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用從頂向下的思想設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，與各個(gè)子程序模塊為實(shí)現(xiàn)各部分功能的過(guò)程，再而通過(guò)主程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)用各個(gè)部分子程序的控制過(guò)程。5.2 軟件總體設(shè)計(jì) 整個(gè)軟件的核心在于觸摸按鍵掃描，觸摸按鍵掃描處理是在定時(shí)器中斷實(shí)時(shí)掃描檢測(cè)并獲取鍵值，減輕主程序運(yùn)行任務(wù)的負(fù)擔(dān)，捕獲零點(diǎn)時(shí)刻是由外部中斷執(zhí)行處理，主程序的主要任務(wù)即不斷在檢測(cè)判斷按鍵是否有效，是

30、否處于零點(diǎn)時(shí)刻。按鍵的檢測(cè)是屬于較高優(yōu)先級(jí)，當(dāng)按鍵被檢測(cè)到被人體按下，再立馬記錄零點(diǎn)時(shí)刻，當(dāng)兩個(gè)條件都滿足以后，控制繼電器在下一個(gè)周期的零點(diǎn)吸合，由于繼電器的吸合時(shí)間也是毫秒級(jí)的，所以在吸合前也要加個(gè)延時(shí)程序去過(guò)度。具體軟件模塊結(jié)構(gòu)框圖如下圖5.1所示。圖5.1 軟件模塊結(jié)構(gòu)框圖5.3 軟件流程圖程序的主流程圖如圖5.2所示，按鍵檢測(cè)設(shè)計(jì)流程圖如圖5.3所示，系統(tǒng)軟件流程是在系統(tǒng)上電之后首先是系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即外設(shè)初始化、定時(shí)器初始化、外部中斷和GPIO等的初始化，等待初始化成功之后，即在檢測(cè)按鍵是否被壓按，沒(méi)被壓按即返回，當(dāng)按鍵被人體壓按時(shí)，并等待零點(diǎn)時(shí)刻的到來(lái)，再而控制繼電器在下一個(gè)交流周

31、期的零點(diǎn)吸合，同時(shí)背光燈指示狀態(tài)也做相應(yīng)指示。圖5.2 主程序流程圖 圖5.3 主程序按鍵檢測(cè)6.結(jié)束語(yǔ)觸摸式按鍵的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如何有效地降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本是必須考慮的問(wèn)題6，本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中是利用RC電路充放電時(shí)間的檢測(cè)原理來(lái)以判別按鍵是否被壓按，這種方法不僅是可以檢測(cè)單個(gè)按鍵，還可以檢測(cè)矩陣按鍵，檢測(cè)硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單，僅由外圍RC構(gòu)成充放電回路及主MCU組成，替代了原有專(zhuān)用的檢測(cè)芯片，這樣節(jié)省了硬件成本，在后期的其他產(chǎn)品應(yīng)用大有可為。致謝在本次課題設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程當(dāng)中感謝蘇偉達(dá)老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)，在百忙之中亦能抽出時(shí)間來(lái)關(guān)注作品設(shè)計(jì)及論文撰寫(xiě)的整個(gè)過(guò)程，并且竭盡所能為我創(chuàng)造條件，解決實(shí)際

32、過(guò)程中遇到的種種困難。另外，也感謝蘇偉達(dá)多次對(duì)我專(zhuān)門(mén)指導(dǎo)，為我順利解決了硬件電路設(shè)計(jì)、PCB電路板設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件編程及論文撰寫(xiě)提供最有利的方向。參考文獻(xiàn) 1張俊.一個(gè)單片機(jī)工作者的實(shí)踐與思考M .北京:北京航空航天出版社, 2008:205-2072盛占石，王青青交流電源過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)新方法J 儀表技術(shù)與傳感器，2012，（2）：106-1073廖明燕基于充放電原理的電容式觸摸按鍵設(shè)計(jì)J電子設(shè)計(jì)工程，2010，28（10）：142-1444管瑞基于張弛原理的JST080觸摸按鍵的優(yōu)化設(shè)計(jì)J武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，29（14）：66-735方獻(xiàn)良基于A/D的電容觸摸按鍵電路設(shè)計(jì)J寧波方太廚具有限

33、公司，2010，23（3）：122-1256王秀霞，邵斌基于電場(chǎng)傳感器MC33794的觸摸按鍵設(shè)計(jì)J電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（2）：100-1017韓俊，戎蒙恬.低成本電容式觸摸控制設(shè)計(jì)J.信息技術(shù)，2006（8）：42-458陳林. 輕松實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)按鍵開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)J.電子產(chǎn)品世界，2009，17（2）：74附錄1系統(tǒng)原理圖圖附錄1-1 觸摸開(kāi)關(guān)系統(tǒng)原理圖附錄2 系統(tǒng)PCB版圖圖附錄2-1 觸摸開(kāi)關(guān)系統(tǒng)PCB圖附錄3 系統(tǒng)源程序#include/以下是常量變量的一些宏定義typedef unsigned char uint8_t;typedef unsigned short uint1

34、6_t;typedef unsigned long uint32_t; typedef uint32_t u32;typedef uint16_t u16;typedef uint8_t u8;/Load引腳：PB5#define Load 0 x20/Acq引腳：PB4/_Bool Load PB_ODR:2;u8 Acq=0 x10;/#define loadbitmask 0 x20#define GPIOA_BaseAddress 0 x5000#define GPIOB_BaseAddress 0 x5005#define GPIOC_BaseAddress 0 x500a#defi

35、ne GPIOD_BaseAddress 0 x500f#define GPIOF_BaseAddress 0 x5019typedef struct GPIO_struct volatile u8 ODR; /ODR:數(shù)據(jù)輸出寄存器 volatile u8 IDR; /IDR:輸入寄存器 volatile u8 DDR; /DDR：數(shù)據(jù)方向寄存器 0：輸入 1：輸出 volatile u8 CR1; /CR：端口控制寄存器 volatile u8 CR2; GPIO_TypeDef;GPIO_TypeDef *PORT_ADDR; /LED:PD2#define LED_HIGH PD_OD

36、R |= 0 x04;#define LED_LOW PD_ODR &= 0 x04;#define LED_NEGATION PD_ODR = 0 x04;/BELL:Pc7#define BELL_HIGH PC_ODR |= 0 x80;#define BELL_LOW PC_ODR &= 0 x80;#define BELL_NEGATION PC_ODR = 0 x80;/LED:PD4#define CTRL_HIGH PD_ODR |= 0 x10;#define CTRL_LOW PD_ODR &= 0 x10;#define CTRL_NEGATION PD_ODR = 0

37、x10;void Clk_Config(void) CLK_CKDIVR_CPUDIV = 0; /系統(tǒng)時(shí)鐘1分頻 while(!(CLK_ICKR & 0 x02); /等待HSI準(zhǔn)備好void delay(u16 n) u16 i,j; while(n -) for(i = 0;i 32;i +) for(j = 0;j ODR &= Acq; PORT_ADDR-DDR |= Acq; PORT_ADDR-CR1 &= Acq; /PORT_ADDR-DDR &= Acq; /PB_ODR |= Load; TIM2_CNTRH=0X00; TIM2_CNTRL=0X00; PORT_A

38、DDR-DDR &= Acq; PB_ODR |= Load; while(PORT_ADDR-IDR&Acq)=0 x00); measure_time+=TIM2_CNTRL; measure_count+; PORT_ADDR-ODR |= Acq; PORT_ADDR-DDR |= Acq; PORT_ADDR-CR1 |= Acq; PB_ODR &= Load; TIM2_CNTRH=0X00; TIM2_CNTRL=0X00; PORT_ADDR-CR1 &= Acq; PORT_ADDR-DDR &= Acq; while(PORT_ADDR-IDR&Acq)=Acq); L measure_time+=TIM2_CNTRL; measure_count+; while(measure_count=155) return 1; measure_count=0; measure_time=0; return 0; void Delay(unsigned int t) u8 i; while(t-) for(i=0;i50)break; Delay(100); 21