基于WTC6216的触摸式按键设计

摘要：为降低电子产品的生产成本，美化电子产品的外观，提升电子产品的品质，设计了一种基于单片机与WTC6216集成电路相结合带背光的人体触摸式按键电路。该电路的特点是外围元器件少，与单片机接口电路简单，且微功耗、抗干扰能力强、工作性能稳定、安装工艺简便等，可用于制作间距较小的密集型键盘，因而对于消费电子产品和手持式仪器设计具有较高的实用性。
关键词：键盘；触摸按键；WTC6216；消费电子产品

    随着现代电子技术尤其是人机接口技术的不断发展，触摸式按键在电子产品和手持式仪器中得到越来越广泛应用。相对传统的机械式按键，触摸式按键具有明显的技术优势，不但系统硬件结构简单，生产成本低，而且在使用中不易磨损损坏，提高了按键的使用寿命。此外触摸式按键还可以增加产品外观设计的灵活性，提升产品的品质。本文提出了一种基于WTC6216ASI集成电路的触摸式按键设计方案，具有较高的实用性。

1 电容式触摸按键工作原理
    触摸式按键可分为电阻式触摸按键和电容式触摸按键。任何两个导电的物体之间都存在着感应电容，一个按键即一个焊盘与大地也可构成一个感应电容，在周围环境不变化的情况下，该感应电容值是固定不变的微小值。当有人体手指靠近触摸按键时，人体手指与大地构成的感应电容并联焊盘与大地构成的感应电容，会使总感应电容值增加。触摸按键芯片在检测到某个按键的感应电容值发生改变后，将输出某个按键被按下的确定信号。
    WTC6216ASI集成电路是为实现人体触摸界面而设计的电容式触摸感应芯片，最多能支持16个相互独立的触摸式按键。使用WTC6216ASI集成电路设计的触摸式按键功耗小，外围元器件少，硬件电路结构简单，其提供的对应输出能与单片机直接接口。WTC6216ASI集成电路自身的设计涵盖了EMI／EMC及高抗噪声电路，抗干扰能力强，可以自动克服由于静电放电、电磁干扰或污染物在键盘表面堆积所带来的干扰。同时该电路具有环境温度和环境湿度的自适应能力，能在各种恶劣环境下提供良好的精确性和操作的一致性，工作性能稳定。此外，WTC6216ASI集成电路还具有相邻按键的抑制功能，可以防止相邻按键之间因相互干扰而产生的误动作，可使用在按键间距较小的密集型键盘(按键间距不小于2 min)上，在日常生活的电子产品和手持式仪器设计中完全满足技术上的要求。
    WTC6216ASI使用高精度16位数字电容转换器(CDC)检测焊盘(电容传感器)上感应电容值变化来识别人体手指的触摸动作。数字电容转换器将检测数据输入到内嵌的RISC处理器，RISC处理器通过可靠的高效算法对检测数据进行处理。当RISC处理器判断感应盘上有有效触摸发生时，会在100 ms内发出相应的指示确定某个按键被按下，方便系统根据按键进行操作控制。WTC6216ASI发出的指示包含两个部分：被按下按键的BCD编码和按键被按下有效指示状态。引脚data3～data0是输出确定被按下按键的BCD编码，引脚out_flag是输出按键被按下有效指示状态，其中“1”表示无有效按键被按下；“0”表示有按键被按下。引脚out_flag与引脚data3～data0的时序输出关系如图1所示。

2 触摸式按键的硬件设计
    触摸式按键的硬件电路由主控电路、按键背光电路和触摸按键检测电路等三个部分组成如图2所示。

    主控电路选用在系统可编程的STC89C52单片机，该单片机具有512 B的片内RAM数据存储器，8 KB片内FLASH程序存储器，完全能够满足系统程序运行和数据存储的需要。此外该单片机宽电压工作，抗干扰能力强，能在电源环境比较恶劣下稳定的工作。
    该触摸按键检测电路支持检测12个相互独立的触摸按键。由于WTC6216ASI芯片最大支持可使用16个相互独立的传感器通道，为保证WTC6 216ASI能正常稳当的工作，空置不用的传感器通道不能悬空，必须将它们并联接在一起后用一个10 kΩ的上拉电阻与WTC6216ASI电源连接。触摸按键的灵敏度由连接在引脚CSEL上的电容调节决定，而电容值的大小一般由键盘上的隔离介质厚薄决定，隔离介质越厚则电容值越大，一般取电容值在0．047～0．08μF之间。同时为获得测量效果最稳定，引脚CSEL上的电容最好使用温度系数较小、精度5％的涤纶电容，并且在PCB布线时引脚CSEL上的电容要尽量靠近WTC6216ASI芯片。按键背光电路则用来指示系统在当前工作状态下键盘的有效触摸按键。

    由于WTC6216ASI芯片传感器通道测量的是电容的微小变化，因此对供电电路的稳定性有较高的要求。在设计供电电路时要求电源的纹波和噪声要小，注意避免由电源串入强干扰。当触摸式按键直接使用主机的5 V电源时，要在WTC6216ASI芯片使用的电源之前加电源滤波电路，如图3所示。该电路抑制电源噪声的能力较好，但连接较大的负载时容易产生自激，因此，此电源滤波电路除对WTC6216ASI芯片供电外最好不要接其他负载。

3 触摸式按键的软件设计
    根据上述触摸式按键的硬件电路原理图，该触摸式按键只支持12个相互独立的按键，如系统所需的按键数超过12个，则在软件上可以对按键进行分页面处理来扩展按键的键数。软件设计最主要是不断对引脚out_flag输出的按键被按下有效指示状态进行扫描，一旦确定有有效按键被按下，则立即读取按键的BCD码键值，并根据按键页面转换标志转换相应页面的键码，系统再根据键码发出操作控制指令，同时开当前状态下键盘上有效触摸按键的背光。虽然触摸按键的灵敏度由连接在引脚CSEL上的电容调节决定，但是为获得更合适的触摸按键的手感，在测量是否有按键按下的效果更稳定，有必要在软件上对触摸按键的灵敏度进行更加细腻的调整。软件处理触摸按键的程序流程图如图4所示。

4 PCB板的设计
    WTC6216ASI芯片传感器通道测量的是电容的微小变化，因此对PCB板设计具有一定的要求。键盘单个感应盘导体在PCB板上可以做成任意形状，但为尽量避免导体的尖端放电效应，应尽可能采用圆弧形的边沿，一般设计成直径为10 mm的圆形。同时感应盘与WTC6216ASI芯片的连线应尽量短而细(0．1～0．3 mm)，不要跨越其他信号线，尤其是高频、强干扰的信号线，最少与信号线之间保持有0．5 mm以上的距离。键盘的各个感应盘的形状、面积应该相同，并且到WTC6216ASI芯片的距离基本上一致，以保证触摸灵敏度的一致性。此外各感应盘的距离应该尽可能地远离一点，以减少相互之间的干扰，也可用覆盖地隔开，并且在感应盘的背面也覆盖一层地，以减少电磁干扰。

5 结语
    在人们日常生活中电子产品和手持式仪器中触摸式按键的应用越来越广泛。本文基于WTC6216ASI芯片设计带背光的触摸式按键，其硬件电路简单，所用的外围元器件较少，生产成本低，抗干扰能力强，工作性能稳定，在市场上具有较高的竞争优势。同时相对传统的机械式按键具有外形美观，故障率低，使用寿命长，对成熟的电子产品、手持仪器的升级换代和开发新的电子产品具有较高的实用性。