基于電容觸摸感應(yīng)的數(shù)字鍵盤設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　基于電容觸摸感應(yīng)的數(shù)字鍵盤設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p>

2、;<p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文

3、介紹了基于微處理器的可編程片上系統(tǒng)（PSoC）芯片的CapSense電容觸摸感應(yīng)數(shù)字鍵盤的設(shè)計(jì)，介紹了PSoC單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用，設(shè)計(jì)優(yōu)勢，簡述了電容感應(yīng)的工作原理、應(yīng)用特點(diǎn)、發(fā)展技術(shù)，并通過PSoC芯片設(shè)計(jì)及其優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了觸摸感應(yīng)式數(shù)字鍵盤的控制。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是依靠PSoC技術(shù)，通過外部焊盤連接到PSoC的I/O口，通過PSoC來感應(yīng)輸入信號，通過處理判斷，最后輸出相應(yīng)的結(jié)果。系統(tǒng)中PSoC程序主要完成對輸入信號的檢測，量化

4、成數(shù)字信號，處理和判斷包括（濾波，按鍵的動作判定，定時(shí)等），而后輸出信號。</p><p>　　控制系統(tǒng)以PSoC為核心裝置，根據(jù)工藝要求合理選配PSoC機(jī)型和I/O接口和合適的焊接PCB板，控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手指觸摸到PCB板的相應(yīng)按鍵時(shí)，就會在顯示電路上有相應(yīng)的結(jié)果，系統(tǒng)具有良好的安全運(yùn)行和保護(hù)措施。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：PSoC；電容感應(yīng)；觸摸感應(yīng)</p><

5、;p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper introduces microprocessor-based programmable system on chip (PSoC) CapSense capacitance touch keypad design, induction PSoC microcontroller introduced

6、 the characteristic of structure, the application, design advantage, described the working principle, capacitive sensing application characteristic, development technique, and through PSoC chip design and optimization, r

7、ealized the touch inductive digital keyboard control. The whole system design is mainly rely on PSoC technology, throu</p><p>　　Key words: PSoC；CapSense；Touch sensor</p><p><b>　　目 錄</

8、b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1研究背景和意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 主要研究內(nèi)容2</p><p>　　1.4 論文內(nèi)容概述3</p><p>　　2 電

9、容觸摸感應(yīng)的原理4</p><p>　　2.1 觸摸感應(yīng)技術(shù)的發(fā)展4</p><p>　　2.2 電容觸摸感應(yīng)的原理5</p><p>　　2.3 電容觸摸感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用6</p><p>　　2.4電容感應(yīng)觸摸按鍵的優(yōu)勢6</p><p>　　3 PSoC單片機(jī)概述8</p><p&g

10、t;　　3.1 PSoC的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)開發(fā)流程8</p><p>　　3.1.1 PSoC的結(jié)構(gòu)8</p><p>　　3.1.2 PSoC的設(shè)計(jì)開發(fā)流程10</p><p>　　3.2 PSoC的應(yīng)用與設(shè)計(jì)優(yōu)勢11</p><p>　　3.2.1 PSoC的應(yīng)用11</p><p>　　3.2.2 PSoC的

11、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)優(yōu)勢11</p><p>　　3.3 PSoC的開發(fā)工具13</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案15</p><p>　　4.2 PSoC單片機(jī)控制模塊16</p><p>　　4.3電容感應(yīng)觸摸按鍵的設(shè)計(jì)17</p><p&g

12、t;　　4.3.1 按鍵18</p><p>　　4.3.2 形狀和尺寸18</p><p>　　4.3.3 按鍵間距19</p><p>　　4.3.4按鍵離地距離19</p><p>　　4.3.5 注意事項(xiàng)及其要素20</p><p>　　4.4 電源模塊設(shè)計(jì)21</p><p&

13、gt;　　4.5顯示模塊電路設(shè)計(jì)21</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)24</p><p><b>　　6 總結(jié)30</b></p><p>　　致 謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p>　　附錄1 硬件設(shè)計(jì)

14、電路圖32</p><p>　　附錄2 PCB板設(shè)計(jì)圖33</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1研究背景和意義</p><p>　　常規(guī)的按鍵有機(jī)械式按鍵和觸摸感應(yīng)式按鍵兩種。機(jī)械式鍵盤是最早被采用的結(jié)構(gòu)，一般類似金屬接觸式開關(guān)的原理使觸點(diǎn)導(dǎo)通或斷開，具有工藝簡單、維修方便、手

15、感一般、噪聲大、易磨損的特性，大部分廉價(jià)的機(jī)械鍵盤采用銅片彈簧作為彈性材料，銅片易折易失去彈性，使用時(shí)間一長故障率升高，所以現(xiàn)在已基本被淘汰，取而代之的是觸摸感應(yīng)式鍵盤。它是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時(shí)形成震蕩脈沖允許通過的條件。理論上這種開關(guān)是無觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率極小甚至可以忽略不計(jì)，也沒有接觸不良的隱患，具有噪音小，容易控制手感，可以制造出高質(zhì)量的鍵盤，但工藝較機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電容式鍵

16、盤由于工藝更加簡單成本更低所以更受到普遍應(yīng)用。與機(jī)械式鍵盤相比，它最大的兩個(gè)特點(diǎn)是使用彈性橡膠制作的彈簧取代了機(jī)械金屬彈簧，同時(shí)由機(jī)械鍵盤的觸電連通轉(zhuǎn)為通過按鍵底部和鍵盤底部的兩個(gè)電容極板距離的變化帶來的電容量變化來獲得按鍵的信號 [1]。</p><p>　　與機(jī)械式鍵盤相比，電容觸摸感應(yīng)式鍵盤的手感有了很大的變化，變得輕柔而富于韌性，這種手感一直延續(xù)到今天，成為目前鍵盤的主流設(shè)計(jì)。觸摸按鍵可以增加設(shè)計(jì)的靈活性

17、，它可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成為一個(gè)較完整的結(jié)構(gòu)，這樣有些便攜式產(chǎn)品，用電容式觸摸感應(yīng)按鍵可以在最大程度上讓產(chǎn)品外觀具有渾然天成的效果！電容觸摸感應(yīng)技術(shù)還在不斷地發(fā)展，越來越多的應(yīng)用到各種類型的電子設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)控制功能的更小巧，更整潔也更靈活[1]。而現(xiàn)在許多人正在使用的很多電子產(chǎn)品中，都可能用到觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)，例如觸摸屏的手機(jī)，汽車電子，計(jì)算機(jī)，白色家電，我們看到的大部分產(chǎn)品都有用到控制面板，而控制面板上會出現(xiàn)按鍵，滑條，鍵盤等，都很有可能用到

18、觸摸感應(yīng)。</p><p>　　采用電容觸摸感應(yīng)技術(shù)來設(shè)計(jì)鍵盤，具有重要意義:它更可靠，更耐用，因?yàn)樗敲芊獾?，沒有多余的外部器件；它也更美觀，更纖細(xì)，更具有個(gè)性，擁有更友好的界面；同時(shí)節(jié)約了成本，簡化了生產(chǎn)；它的功耗更低，可以通過接近式檢測喚醒休眠。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　早在1971年，hurst 博士就提出了電子觸摸界

19、面的設(shè)想，至1974年開始出現(xiàn)最早的觸摸屏，從早期的相關(guān)專利來看，它們都是著眼于檢測壓力的電阻式技術(shù)。漸漸的，諸如電容式，聲表面波技術(shù)的還有紅外波束遮斷等其他技術(shù)出現(xiàn)，并且都在各自的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)找到了一席之地，尤其是電容觸摸技術(shù)。它的出現(xiàn)使人機(jī)交互的方式產(chǎn)生了革命性的變化，使人們體驗(yàn)到了更容易，更神奇的人機(jī)交互方式[2]。它可以應(yīng)用到帶觸摸按鍵或觸摸屏的手機(jī)，作為標(biāo)配的筆記本計(jì)算機(jī)的觸摸板和自動取款機(jī)上的觸摸屏等等。CapSense電容觸

20、摸感應(yīng)固有的美觀和性能可以使你的產(chǎn)品比較有特色，并且CapSense還支持接近性觸摸，可以探測到移動物體。CapSense電容觸摸感應(yīng)的基礎(chǔ)，它對于人機(jī)接口來講是一個(gè)突破性的方式，它可以替代機(jī)械按鍵、開關(guān)、撥號盤、鍵盤滑條等。</p><p>　　1.3 主要研究內(nèi)容</p><p>　　本課題要求了解觸摸感應(yīng)技術(shù)，特別是要理解和掌握電容式觸摸感應(yīng)的原理。目前電子設(shè)備的按鍵大多采用機(jī)械式按

21、鈕或接近開關(guān)來設(shè)計(jì)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，觸摸感應(yīng)技術(shù)越來越多的應(yīng)用到家用電器、手持式電子產(chǎn)品中，電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)具有無接觸式信息輸入、耐用、防水、防電磁干擾等特點(diǎn)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，目前越來越多的電子產(chǎn)品應(yīng)用這一技術(shù) [2]。</p><p>　　本論文主要研究設(shè)計(jì)一個(gè)基于電容觸摸感應(yīng)的數(shù)字鍵盤，應(yīng)用Cypress的產(chǎn)品PSoC器件進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)3*4矩陣式的數(shù)字按鍵系統(tǒng)。學(xué)習(xí)基本的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法

22、，掌握Cypress Express開發(fā)軟件的操作，完成電容式觸摸按鍵PCB板的設(shè)計(jì)等任務(wù)。</p><p><b>　　主要研究內(nèi)容如下：</b></p><p>　　1.設(shè)計(jì)一個(gè)基于電容觸摸感應(yīng)的數(shù)字鍵盤；</p><p>　　2.確定設(shè)計(jì)方案，選擇合適的PSoC單片機(jī)；</p><p>　　3．學(xué)會Cypress

23、Express開發(fā)軟件的操作，完成電容式觸摸按鍵PCB板的設(shè)計(jì)； </p><p>　　4．設(shè)計(jì)相應(yīng)的顯示電路；</p><p>　　5．完成PSoC器件的內(nèi)部模塊的設(shè)計(jì)以及程序的編寫等工作。 </p><p>　　1.4 論文內(nèi)容概述</p><p>　　本論文第一章闡述了電容觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)的意義及其應(yīng)用范圍，第二章介紹了電容觸摸的感應(yīng)原理及

24、其檢測方法；第三章專題介紹了應(yīng)用于電容觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)的PSoC單片機(jī),主要分析了PSoC單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用范圍和開發(fā)工具等；第四章論述了電容感應(yīng)式數(shù)字鍵盤設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)方案和具體實(shí)現(xiàn)方法；第五章論述了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程及具體程序的設(shè)計(jì)，最后總結(jié)了設(shè)計(jì)過程中的心得體會。</p><p>　　本論文附有詳細(xì)的設(shè)計(jì)原理圖和PCB布局布線圖，可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員借鑒和參考。</p><p>　　2

25、電容觸摸感應(yīng)的原理</p><p>　　數(shù)字鍵盤是電子產(chǎn)品中隨處可見而又必不可少的輸入設(shè)備。目前常用的數(shù)字鍵盤都是機(jī)械式的。然而,隨著產(chǎn)品和應(yīng)用的不斷發(fā)展,對按鍵也開始有了新的要求,例如,在工業(yè)環(huán)境中要求按鍵能防塵等,在消費(fèi)類產(chǎn)品中用戶要求按鍵超薄和美觀時(shí)尚等等。另一方面,隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展,對這些新的需求有了實(shí)現(xiàn)的可能。在這種背景下,觸摸按鍵等按鍵檢測技術(shù),正在成為當(dāng)前大家設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)之一。</p

26、><p>　　2.1 觸摸感應(yīng)技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　觸摸技術(shù)是近年研究的熱點(diǎn)之一。大家知道，在前幾年大屏幕觸摸技術(shù)開始被應(yīng)用于一些公共場所的檢索設(shè)備，在近年也開始流行在消費(fèi)類產(chǎn)品如手機(jī)屏幕上采用觸摸式屏幕。在這些系統(tǒng)中，均采用點(diǎn)陣式的結(jié)構(gòu)來感應(yīng)手指的存在，所以需要復(fù)雜的信號發(fā)送和接收設(shè)備來確定手指的具體位置，一般需要采用價(jià)格較昂貴的專用芯片來完成，并需要配以較強(qiáng)功能的CPU來做計(jì)算處

27、理和判定[3]。</p><p>　　隨著消費(fèi)需求的發(fā)展，現(xiàn)在觸摸技術(shù)開始從大屏幕向觸點(diǎn)型按鍵發(fā)展，從少量的大系統(tǒng)向大量的消費(fèi)類應(yīng)用發(fā)展。由于觸摸按鍵方案實(shí)際上并不需要真正的按鍵材質(zhì),只需要一個(gè)薄薄的銅箔層，所以它提供了一種時(shí)代性的進(jìn)步，即它使按鍵厚度幾乎為零！由于沒有了按鍵的厚度和重量，易于實(shí)現(xiàn)超輕超薄的設(shè)計(jì)。超輕超薄的特性在今天的消費(fèi)類產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用中是非常受用戶青睞的，是目前消費(fèi)類產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)方向。<

28、;/p><p>　　目前已經(jīng)有的觸摸按鍵的檢測技術(shù),包括:電阻性薄膜測量,場效應(yīng)檢測和電容感應(yīng)式檢測。但是，電阻性薄膜測量和場效應(yīng)檢測這兩種觸摸檢測技術(shù)都有一定的缺陷性，譬如高成本，高損耗率等，不便于在消費(fèi)類產(chǎn)品上大規(guī)模應(yīng)用[4]。而電容感應(yīng)式的觸摸按鍵檢測技術(shù)，是最近才出現(xiàn)的一種新的研究方向,迄今為止還沒有成熟的公開的設(shè)計(jì)方案。在個(gè)別文章中，曾經(jīng)介紹過國外目前有采用ASIC芯片來實(shí)現(xiàn)電容感應(yīng)檢測，但是采用ASIC芯

29、片的實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)不夠靈活且按鍵數(shù)目受限不易擴(kuò)展。</p><p>　　基于PSoC這種可編程的單片機(jī)，采用軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種低成本，設(shè)計(jì)靈活而且易實(shí)現(xiàn)易擴(kuò)展的電容感應(yīng)式觸摸按鍵系統(tǒng)。</p><p>　　2.2 電容觸摸感應(yīng)的原理</p><p>　　觸摸感應(yīng)從原理上來說，有基于電阻變化的觸摸感應(yīng)技術(shù)，有基于電容變化的觸摸感應(yīng)技術(shù)，也有基

30、于聲波的觸摸感應(yīng)技術(shù)和基于紅外線的觸摸感應(yīng)技術(shù)等。各種觸摸感應(yīng)技術(shù)有其各自的特點(diǎn)和應(yīng)用場合。其中，基于電容變化的觸摸感應(yīng)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，靈敏度高等特點(diǎn)。主流的觸摸感應(yīng)技術(shù)使用的是電容感應(yīng)原理，結(jié)合現(xiàn)代微電子技術(shù)集成電路能夠可靠的捕捉手指的觸摸信息。</p><p>　　在以前，由于控制電路相對復(fù)雜，成本相對較高使其應(yīng)用也比較少。而最近幾年，由于集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，使得基于電容變化的觸摸感應(yīng)技術(shù)也獲

31、得了飛速進(jìn)展，從而使這種技術(shù)變得越來越純熟。使基于電容變化的觸摸感應(yīng)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵，觸摸滑條，還可以實(shí)現(xiàn)觸摸板和觸摸屏等功能。具有多觸點(diǎn)和手勢識別功能的觸摸屏就是使用基于電容變化的觸摸感應(yīng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　電容感應(yīng)檢測的基本原理是：兩個(gè)相鄰的金屬導(dǎo)體間會產(chǎn)生電容，在按鍵位置，采用PCB上的銅箔做成按鍵形狀,就形成一個(gè)電容性的開關(guān)。當(dāng)導(dǎo)電元件接入(譬如手指觸摸)會使電容性開關(guān)上的電容發(fā)生

32、改變,會比平常時(shí)候的電容值要大。通過對該電容持續(xù)充放電和檢測充電電壓的改變,即能檢測到電容的變化,從而判斷是否有導(dǎo)電元件的接入,即是否有手指觸摸。</p><p>　　圖2-1 電容感應(yīng)式按鍵的工作原理模型</p><p>　　如圖2-1，電容觸摸按鍵的基本原理是：中低層的介質(zhì)一般為PCB板、柔性電路板的基材，中間層為導(dǎo)電的銅箔，上層為絕緣的覆蓋物。相鄰的兩個(gè)導(dǎo)體之間會產(chǎn)生一個(gè)寄生電容，當(dāng)

33、在覆蓋物下如（玻璃）有地和接觸按鍵并且它們都是覆銅，它們兩者之間就會產(chǎn)生電容Cp，一般為10pF~300pF，在觸摸按鍵和地之間還會產(chǎn)生邊緣電場,穿過覆蓋物，而人就是導(dǎo)體，當(dāng)人的手指碰到邊緣電場時(shí)，就會增加導(dǎo)體的表面積，那么在觸摸按鍵和手之間就會產(chǎn)生一個(gè)電容CF，通常有1pF~10pF，電容感應(yīng)按鍵與地的電容就會變?yōu)镃x,用公式表示是，當(dāng)沒手指時(shí)，Cx=Cp，有手指時(shí)為Cx=CF+Cp，由CapSense系統(tǒng)所測量的總電容Cx就是寄生電

34、容Cp和觸摸電容CF的綜合。當(dāng)手指靠近，增加了其間的電場強(qiáng)度，電力線密度也隨之上升，感應(yīng)電容也就隨之增加。應(yīng)用這種電容變化的原理，我們可以設(shè)計(jì)專門的檢測電路來獲取人體手指有無接觸“按鍵”的信息，然后應(yīng)用獲取的信息去實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的控制任務(wù)。</p><p>　　2.3 電容觸摸感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用</p><p>　　觸摸感應(yīng)按鍵已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用在家電和工業(yè)產(chǎn)品中用于取代傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵和簿膜按

35、鍵。由于觸摸感應(yīng)按鍵使得控制面板更時(shí)尚和具有更長的壽命，它也被越來越多的用戶所接受。在多種技術(shù)中，電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)成為觸摸感應(yīng)技術(shù)的主流。</p><p>　　應(yīng)用PSoC芯片設(shè)計(jì)的電容觸摸感應(yīng)系統(tǒng)電路簡單，輸出接口豐富，提供脈沖、鎖定等輸出接口，是取代機(jī)械按鈕、開關(guān)、金屬觸摸電路的最好選擇！它廣泛應(yīng)用于音響面板、電話機(jī)控制鍵盤、儀器儀表控制面板、洗衣機(jī)控制面板、智能門禁系統(tǒng)控制面板、各種小家電（電磁爐、消

36、毒柜、微波爐...），已經(jīng)覆蓋家用電器、手持設(shè)備、工業(yè)控制、汽車電子、軍用產(chǎn)品等幾乎所有涉及到控制按鍵操作面板的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　2.4電容感應(yīng)觸摸按鍵的優(yōu)勢 </p><p>　　使用電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)師可以把傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵換成電容式的觸摸感應(yīng)按鍵?這樣可以增加設(shè)計(jì)的靈活性，因?yàn)殡娙菔礁袘?yīng)按鍵可以隱藏在一塊完整的設(shè)備表面下邊,不需要像機(jī)械按鍵那樣需要預(yù)留機(jī)械部件運(yùn)動的

37、空間?</p><p>　　應(yīng)用電容感應(yīng)觸摸按鍵的設(shè)計(jì),產(chǎn)品的機(jī)殼可以是完整的一塊表面,不需要開孔,也沒有凹凸,機(jī)殼上的提示字符是燈光透過局部透明材料的效果?電容式感應(yīng)觸摸按鍵可以穿透絕緣材料外殼（玻璃、塑料等），檢測人體手指觸摸動作。不需要傳統(tǒng)按鍵的機(jī)械觸點(diǎn)，也不再使用傳統(tǒng)金屬觸摸的人體直接接觸金屬片，相比傳統(tǒng)金屬觸摸開關(guān)，電容式感應(yīng)觸摸開關(guān)不需要人體直接接觸金屬，可以徹底消除安全隱患，即使人帶手套也可以使用，

38、并且不受天氣干燥潮濕人體電阻變化等影響，使用更加方便。觸摸按鍵的大小和形狀與它本身的觸摸靈敏度和噪聲大小休戚相關(guān)[5]。圖2-2是一種典型的觸摸按鍵的設(shè)計(jì)，圓形的銅箔感應(yīng)塊，外面鋪地。感應(yīng)塊和鋪地之間有間隙，間隙的大小與寄生電容Cp成反比。一般的講，觸摸按鍵的大小與手指的大小相仿最佳。如果感應(yīng)塊太小，手指觸摸而產(chǎn)生的電容變化CF就會變小，影響靈敏度。但按鍵太大的話，對CF的貢獻(xiàn)并不會增加，只是增加了按鍵感應(yīng)塊的觸摸區(qū)域。</p&g

39、t;<p>　　圖2-2 一種典型的觸摸按鍵的設(shè)計(jì)</p><p>　　電容觸摸按鍵不但美觀而且耐用、壽命長，并且能為創(chuàng)新的工業(yè)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。它顛覆了傳統(tǒng)意義上的按鍵控制，只要輕輕碰觸，就可以實(shí)現(xiàn)對按鍵、量化調(diào)節(jié)、方向等功能的控制。</p><p>　　3 PSoC單片機(jī)概述</p><p>　　PSoC（Programmable System on

40、Chip)是美國賽普拉斯公司于最近幾年推出的新一代功能強(qiáng)大的8位可配置的嵌入式單片機(jī)，它的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)者逐步擺脫了板級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法而進(jìn)入芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　PSoC是指Cypress 公司生產(chǎn)的基于片上微控制器的可編程混合信號陣列芯片系列, PSoC 將傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)與微控制器系統(tǒng)、數(shù)字外圍接口電路集成在同一個(gè)芯片上,模擬陣列和數(shù)字陣列可實(shí)現(xiàn)自由配置和在線編程，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常靈活，

41、可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，目前已被越來越多的電子設(shè)計(jì)工程師應(yīng)用到產(chǎn)品的開發(fā)中。</p><p>　　3.1 PSoC的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)開發(fā)流程</p><p>　　PSoC是在單芯片上實(shí)現(xiàn)全部電子系統(tǒng)的集成芯片，通過使多個(gè)設(shè)備集成在一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的功能，減少甚至不再需要使用外部器件，達(dá)到應(yīng)用功能的快速實(shí)現(xiàn)、靈活修改以及方便升級。</p><p>　　3.1.1

42、PSoC的結(jié)構(gòu)</p><p>　　PSoC主要由PSoC核，數(shù)字列陣，模擬列陣和附加的系統(tǒng)資源組成如圖3-1所示，其內(nèi)部有一個(gè)高速8位的MCU（M8C），以及相應(yīng)的Flash存儲器、SRAM、SROM和兩個(gè)數(shù)字時(shí)鐘源，采用哈佛（Harvard）架構(gòu)，具有獨(dú)立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器總線，處理器工作頻率最高可達(dá)48MHz。而數(shù)字陣列則包含至少一排（4個(gè)）的數(shù)字用戶模塊，模擬陣列則包含至少一列（3個(gè)）的模擬用戶模塊

43、，附加的系統(tǒng)資源主要有數(shù)字時(shí)鐘，乘加器，采樣濾波器，I2C，系統(tǒng)復(fù)位（包括POR和LVD）、電源升壓泵、I/O模擬輸入多路器和內(nèi)部電壓參考[6]。它與傳統(tǒng)單片機(jī)的根本區(qū)別在于其內(nèi)部集成了數(shù)字模塊和模擬模塊，用戶可以根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求調(diào)用不同的數(shù)字模塊和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)使用一塊芯片就可以配置成具有多種不同外圍元器件的控制系統(tǒng)，從而建立一種可配置嵌入式微控制器，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過程

44、[6]。</p><p>　　圖3-1 PSoC的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　PSoC核心包括24MHz、4MIPS的8位哈佛架構(gòu)的CPU，帶有16KB閃存，可以用在程序存儲，還帶有1KB的SRAM，可用于數(shù)據(jù)存儲，另外還具備了2KB的EEPROM，采用閃存仿真。PSoC GPIO提供到CPU、器件數(shù)字和模擬資源的連接。每個(gè)引腳的驅(qū)動模式可以從八個(gè)選項(xiàng)之中根據(jù)需要進(jìn)行選擇，這就使外部接口

45、擁有極其大的靈活性。每個(gè)引腳還能生成高級和低級的系統(tǒng)中斷，而且能自上一次讀取之后進(jìn)行改變[7]。</p><p>　　數(shù)字系統(tǒng)包括4個(gè)數(shù)字PSoC模塊。每個(gè)塊都是8位資源，既可單獨(dú)使用，也可以與其他塊結(jié)合一起使用，形成8位、16位、24位和32位的外圍。數(shù)字塊還可通過串行全局總線連接至GPIO，將任何信號路由給任意引腳。數(shù)字塊可任意配置成:UART，SPI，IIC，PWM，CRC校驗(yàn),實(shí)時(shí)時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器，紅外通信等

46、等。這種可配置性可使設(shè)計(jì)工作不再受到固定外圍設(shè)控制器的限制。</p><p>　　模擬系統(tǒng)包括6個(gè)可配置的模塊，每個(gè)塊都具備運(yùn)算放大器，可創(chuàng)建復(fù)雜的模擬信號流。模擬外設(shè)非常地靈活，經(jīng)過用戶定制后可支持以下具體的應(yīng)用要求,包括:逐次逼近式等三種ADC，DAC，可編程運(yùn)放，模擬比較器，過零檢測器，低通等三類濾波器，DTMF發(fā)生器，正弦波等波行發(fā)生器，調(diào)幅器，F(xiàn)SK調(diào)節(jié)器，調(diào)制解調(diào)器等器件。</p>&l

47、t;p>　　PSoC也提供了很多系統(tǒng)資源,以不同的器件型號來提供不同的資源,由用戶根據(jù)需要來選擇,包括:能增強(qiáng)PSoC混合信號陣列靈活性的數(shù)字時(shí)鐘,能提供一個(gè)快速8位乘法的運(yùn)算和32位加法運(yùn)算的4個(gè)乘法加法器,允許每個(gè)I/O引腳連接到一個(gè)普通內(nèi)部模擬總線的加強(qiáng)型模擬多路復(fù)用器,用于信號處理應(yīng)用的兩個(gè)抽樣器,能執(zhí)行IIC主從設(shè)備的IIC接口,能夠產(chǎn)生一個(gè)值為1.3V的內(nèi)部參考電壓,在關(guān)閉干電池供應(yīng)的情況下可以產(chǎn)生一個(gè)正常操作電壓的電

48、壓泵等。</p><p>　　3.1.2 PSoC的設(shè)計(jì)開發(fā)流程</p><p>　　每當(dāng)使用PSoC開發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，通常會按照以下幾個(gè)基本步驟：</p><p>　　（1）分析系統(tǒng)的需要說明，確立系統(tǒng)中所需多少數(shù)字或模擬模塊，通用I/O數(shù)目，以及存儲空間等參數(shù)；</p><p>　?。?）根據(jù)分析的結(jié)果，來確定所需要選用的器件和芯片等；&l

49、t;/p><p>　　（3）運(yùn)行PSoC的配套設(shè)計(jì)軟件，在用戶模塊庫中選擇用戶所需的數(shù)字或模擬模塊的相應(yīng)資源。如：ADC/DAC（模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器），PWM，定時(shí)器Timer，串行通信端口等資源；</p><p>　　（4）對于已選定的用戶模塊，根據(jù)具體情況進(jìn)行必要的參數(shù)配置，如CPU時(shí)鐘頻率，工作電壓等參數(shù)的設(shè)置；</p><p>　　（5）對于選定了的用戶模塊，建立

50、模塊間的連接及模塊與芯片外部引腳的連接等；</p><p>　　（6）生成應(yīng)用程序，這時(shí)系統(tǒng)就會根據(jù)用戶的選擇和需求產(chǎn)生響應(yīng)的系統(tǒng)配置函數(shù)等；</p><p>　?。?）進(jìn)入應(yīng)用層設(shè)計(jì)，此時(shí)設(shè)計(jì)者將根據(jù)自己的需求編寫應(yīng)用層代碼，再進(jìn)行匯編/編譯/聯(lián)結(jié)/排錯(cuò)等工作。并由鏈接器生成一個(gè)可供下載調(diào)試的目標(biāo)文件；</p><p>　?。?）最后，將鏈接器生成的目標(biāo)文件下載到

51、仿真器或是設(shè)計(jì)的PCB板芯片上進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試方法和過程等與其他單片機(jī)大致相同[8]。</p><p>　　3.2 PSoC的應(yīng)用與設(shè)計(jì)優(yōu)勢</p><p>　　3.2.1 PSoC的應(yīng)用</p><p>　　Cypress的PSoC在2003年才開始在中國進(jìn)行推廣和應(yīng)用,在近幾年里,慢慢的被中國國內(nèi)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師及其生產(chǎn)廠家所知道,同時(shí)經(jīng)過幾年的快速發(fā)展,

52、PSoC的產(chǎn)品也越來越成熟,產(chǎn)品的型號系列也更加的豐富,所以已經(jīng)有一些工程師用它來嘗試設(shè)計(jì)一些產(chǎn)品,如:煙霧感應(yīng)檢測探頭,電動自行車的馬達(dá)控制單元,任意波形發(fā)生器，數(shù)字頻率計(jì)，智能溫控儀，數(shù)字溫度傳感器以及其他的PSoC適用的地方。PSoC的適用地方主要是指有模擬信號檢測需求也有CPU處理和通信需求的地方,這樣能最大的發(fā)揮PSoC的片上系統(tǒng)集成的資源。</p><p>　　PSoC由于其獨(dú)特性能，使其應(yīng)用得到了迅

53、速的發(fā)展。PSoC可應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如家電、MP3、DVD、手機(jī)等等，也可應(yīng)用于醫(yī)療儀器，如血壓測試儀、嬰兒監(jiān)護(hù)器等，汽車電子領(lǐng)域，如電子鎖、汽車檢測系統(tǒng)等，工業(yè)領(lǐng)域，如煙霧感應(yīng)器、水/電/氣表、測試設(shè)備、語音發(fā)生器等。PSoC為以上領(lǐng)域應(yīng)用提供了具有嵌入式控制功能的高性能現(xiàn)場可編程單片系統(tǒng)。</p><p>　　3.2.2 PSoC的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)優(yōu)勢</p><p>　　PSoC的特

54、點(diǎn)：（1）采用電容感應(yīng)的原理，使PSoC可以采用普通的焊盤作為觸摸按鍵，所以相比其他感應(yīng)原理，按鍵的成本相對要低，實(shí)現(xiàn)也很方便，不需要使用專用的材料。</p><p>　?。?）采用PSoC軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，采用單芯片就能完成模擬信號和數(shù)字信號的處理以及軟件的設(shè)計(jì)，外圍器件簡單，不需要采用專用芯片或ASIC定制芯片。</p><p>　　（3）采用PSoC通用芯片使器件成本降低，設(shè)計(jì)過

55、程靈活，設(shè)計(jì)周期也隨之大大減短。</p><p>　?。?）PSoC在感應(yīng)電容信號輸入端采用了模擬復(fù)用，所以通過按鍵掃描可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制電路同時(shí)處理所有的按鍵輸入，易于實(shí)現(xiàn)按鍵擴(kuò)展。又因?yàn)槠溆|摸按鍵的焊盤是連接到PSoC的模擬類通用I/O接口，所以，理論上PSoC芯片有多少多余的模擬類通用I/O口，就可以接入相應(yīng)數(shù)量的按鍵。當(dāng)系統(tǒng)輸入有增減時(shí)，只需要簡單的調(diào)整部分參數(shù)即可，整個(gè)設(shè)計(jì)可以不用改動。</p>

56、;<p>　　其設(shè)計(jì)優(yōu)勢是：（1）PSoC的一部分設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對消費(fèi)類產(chǎn)品，而消費(fèi)類產(chǎn)品要求低成本和快速的設(shè)計(jì)及上市周期。所以，它的低成本，靈活性和易擴(kuò)展的特點(diǎn)，使得該項(xiàng)觸摸按鍵系統(tǒng)可以在消費(fèi)類產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用。在此之前，還沒有其他觸摸檢測系統(tǒng)在消費(fèi)類產(chǎn)品上得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　(2)PSoC與傳統(tǒng)單片機(jī)的根本區(qū)別在于它的內(nèi)部同時(shí)集成了數(shù)字模塊和模擬模塊，用戶可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求來調(diào)用

57、不同的數(shù)字和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)只使用一塊芯片就能配置成具有多種不同外圍元器件的微控制器，從而建立一種可配置嵌入式微控制器，用來實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能的開始，到軟/硬件劃分，最后完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。因此，PSoC能夠適應(yīng)非常復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制需求，使用它進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)可以大大提高開發(fā)效率，降低系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和費(fèi)用，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力；所以，它特別適用于各種控制和自動化領(lǐng)域。</p><p>

58、;　　(3)PSoC的另一個(gè)重要特性就是具有動態(tài)重新配置能力，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以調(diào)用已構(gòu)建好的模塊，將它組合成所需的模擬的或數(shù)字的外圍設(shè)備，就好像是FPGA設(shè)計(jì)中做的一樣，就算是在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，也可以對其硬件進(jìn)行修改和升級。換句話說，就是當(dāng)PSoC芯片工作時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)不同時(shí)刻的需求，通過編程動態(tài)地改變存儲在片內(nèi)閃速存儲器中設(shè)定的參數(shù)，重新定義系統(tǒng)所需要的功能模塊的種類和數(shù)量，動態(tài)地完成芯片上資源的重新分配，實(shí)現(xiàn)新的外圍元器件的功能。P

59、SoC的這種動態(tài)重新配置能力大大增強(qiáng)了芯片的靈活性，提高了芯片資源的使用效率，節(jié)約了成本，給設(shè)計(jì)人員帶來了非常大的便利。</p><p>　　綜上所述，PSoC將傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)集成在一顆芯片里，并輔以外圍的模擬和數(shù)字陣列，可供設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)需要隨意配置，從而減少了外圍電路的設(shè)計(jì)，提到了設(shè)計(jì)效率，具有很大的靈活性和性價(jià)比。</p><p>　　3.3 PSoC的開發(fā)工具</p>

60、;<p>　　如圖3-2和圖3-3，賽普拉斯公司針對PSoC開發(fā)了兩種不同風(fēng)格和形式的集成開發(fā)環(huán)境PSoC Designer以及PSoC Express，下面對這兩種開發(fā)工具進(jìn)行簡單的介紹[8]。</p><p>　　PSoC Designer是一種功能齊全、基于圖形用戶接口（GUI）的設(shè)計(jì)工具套件，它使得設(shè)計(jì)人員能夠借助簡單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊選項(xiàng)來對其硅片設(shè)計(jì)進(jìn)行配置；借助PSoC Designer，設(shè)計(jì)

61、人員便可以采用C語言或匯編語具有如下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）提供各用戶模塊的C語言和匯編語言的應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)，用戶只需調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)即可完成對用戶模塊的編程。</p><p>　　（2）采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，提供豐富的模擬和數(shù)字用戶模塊如A/D、D/A、PGA、PWM、SPI、UART、濾波器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和比較器等。在設(shè)計(jì)時(shí)選擇用戶模塊后，放置到可編程模擬和

62、數(shù)字模塊陳列中，進(jìn)行配置和連線后，就可完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）提供在線源代碼調(diào)試功能，用戶可利用單步進(jìn)、多斷點(diǎn)和事件觸發(fā)器對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試。</p><p>　　PSoC Express是一個(gè)更加新穎獨(dú)特的無需編碼的可視化設(shè)計(jì)工具軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)，可以快速地完成從構(gòu)想到嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，它具有如下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）它具備軟件仿真

63、功能，可以對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件仿真，仿真正確后再將程序文件下載到目標(biāo)系統(tǒng)中測試。</p><p>　?。?）PSoC Express的設(shè)計(jì)可以在PSoC Designer環(huán)境中打開并查看詳細(xì)的設(shè)計(jì)和編程，PSoC Express可自動生成設(shè)計(jì)說明書、原理圖以及物料清單等文件。</p><p>　?。?）也將常用的傳感器以及輸入設(shè)備接口抽象成輸入驅(qū)動器（如溫度傳感器、開關(guān)、電位計(jì)），將常用的執(zhí)

64、行器件接口抽象成輸出驅(qū)動器（如繼電器、風(fēng)扇、數(shù)碼管）。設(shè)計(jì)人員只須根據(jù)系統(tǒng)需求選擇輸入輸出設(shè)備，添加并定義系統(tǒng)的接口等，PSoC Express便可完整、正確地生成程序文件。</p><p>　　圖3-2 PSoC Designer軟件界面圖</p><p>　　圖3-3 PSoC Express軟件界面圖</p><p><b>　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)&

65、lt;/b></p><p>　　在整個(gè)硬件設(shè)計(jì)中,外圍器件極少,所以除了PSoC內(nèi)部的硬件電路外，外圍電路相對簡單，外圍硬件設(shè)計(jì)的核心在于作為按鍵的焊盤和周邊PCB的布局設(shè)計(jì),其次是考慮PCB表面覆蓋層和其他PCB外的因素，以確保能正確檢測到按鍵動作。</p><p>　　4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案</p><p>　　圖4-1 總體設(shè)計(jì)框圖</p>

66、<p>　　如上圖4-1所示該系統(tǒng)的組成分四個(gè)部分：</p><p>　?。?）以PSoC單片機(jī)的控制為中心，PSoC芯片將主要檢測焊盤上感應(yīng)電容的變化，通過PSoC檢測有手觸摸和沒手觸摸時(shí)感應(yīng)電容的變化，來確定是否在焊盤處有動作，從而實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵功能。</p><p>　?。?）電容感應(yīng)按鍵是以PCB上的焊盤作為觸摸按鍵的載體，焊盤接到PSoC的I/O接口。</p&g

67、t;<p>　　（3）電源電路，主要是為PSoC單片機(jī)提供5V左右驅(qū)動電源。</p><p>　?。?）顯示電路，先由LED燈是否發(fā)亮來提示是否有感應(yīng)，當(dāng)有感應(yīng)時(shí)，把相關(guān)數(shù)據(jù)反應(yīng)給LCD顯示。</p><p>　　4.2 PSoC單片機(jī)控制模塊</p><p>　　Cypress半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的IC產(chǎn)品，主要以CYPF高頻類，CY37系列，CY7C系列

68、，CY8C系列芯片為主，它主要是為用戶提供高性能，可編程的混合信號解決方案，使得產(chǎn)品可以快速面試和出眾的系列價(jià)值。所以根據(jù)不同的需求，要選擇不同功能的芯片，來實(shí)現(xiàn)最大的最有價(jià)值的成效。</p><p>　　Cypress公司的CY8C21534是一個(gè)帶有非常豐富感應(yīng)按鍵功能的單片機(jī)芯片，多數(shù)I/O口都可以配置為感應(yīng)按鍵輸入或普通TTL電平輸入/輸出的功能，并且有豐富的內(nèi)部資源。用CY8C21534設(shè)計(jì)通用操作面板

69、是非常方便也是非常簡單的，而且操作面板還具有高可靠性的感應(yīng)按鍵功能，這對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和價(jià)值是非常有效的。</p><p>　　另外,CY8C21534外圍電路非常簡單，內(nèi)部的許多功能都有標(biāo)準(zhǔn)的軟件模塊可以調(diào)用，所以軟件設(shè)計(jì)也非常簡單，而且所附的仿真調(diào)試軟件支持C編譯，調(diào)試非常容易和方便，所以本設(shè)計(jì)的基本思路采用CY8C21534芯片來控制可以獲得很好的效益。圖4-2是芯片CY8C21534的引腳圖，表4-3給

70、出了引腳的功能圖。</p><p>　　圖4-2 芯片CY8C21534 28引腳圖</p><p>　　表4-2 芯片cy8c21534引腳定義表</p><p>　　LEGENDA=模擬，I=輸入，O=輸出，M=模擬MUX輸入欄</p><p>　　*這些都是ISSP針，不以高ZPOR（上電復(fù)位）</p><p&g

71、t;　　4.3電容感應(yīng)觸摸按鍵的設(shè)計(jì)</p><p>　　電容感應(yīng)按鍵是以PCB上的焊盤作為觸摸按鍵的載體，PCB布局的目的在于提高信號的質(zhì)量,減少非按鍵信號的誤判。從按鍵到PSoC的接入管腳的導(dǎo)線不是作為電容感應(yīng)區(qū)域的,所以,導(dǎo)線和其他PCB上的器件會減小電容感應(yīng)能力和產(chǎn)生其他影響,所以PCB布局必須注意減少導(dǎo)線等對電容感應(yīng)的影響,如果不能減少,那么必須盡量讓所有電容性元件都統(tǒng)一,以便后續(xù)在軟件算法中統(tǒng)一的剔除

72、或調(diào)整。所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮上述因素，使最后能達(dá)到較好的效果。</p><p><b>　　4.3.1 按鍵</b></p><p>　　對于設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的電容感應(yīng)觸摸按鍵來說,判斷比較簡單,只需要判斷手指存在與否即可。按鍵是連接到PSoC的唯一電容性物體。如果手指等導(dǎo)電物體只局部遮住激活區(qū)域，那么按鍵不必對電容的微小改變做出反應(yīng)，只需確定是否存在導(dǎo)電物體。按鍵的靈敏

73、度取決于焊盤的形狀,周邊鋪地情況,按鍵覆蓋層的厚度,以及這個(gè)厚度與PCB板厚度的比率等等。</p><p>　　4.3.2 形狀和尺寸</p><p>　　在許多電容性開關(guān)設(shè)計(jì)中，感應(yīng)電容的兩個(gè)“極板”實(shí)際上是相鄰的PCB焊盤或線跡。在所有條件都相同的情況下，較大按鍵的性能通常會更好。如果兩個(gè)按鍵連接到具有相同線跡的PSoC上，如果尺寸不同，那么靈敏度也不一樣。 PSoC的有效按鍵區(qū)域由線

74、跡末端的較大導(dǎo)電焊盤決定。通常，在沒有故意壓下拇指的情況下，我們應(yīng)讓按鈕的大小對應(yīng)于手指的接觸面積，如圖4-3所示。 </p><p>　　圖4-3 按鍵大小和手指尺寸</p><p>　　一般情況下,按鍵越大,那么感應(yīng)效果越好,靈敏度越高。不過，按鈕尺寸的上限由待感測導(dǎo)電物體的有效面積決定（對人的大拇趾來說，約為0.8英寸）。圖4-4顯示了按鈕靈敏度與按鈕大小的基本關(guān)系。 </p

75、><p>　　圖 4-4 按鈕大小和靈敏度的關(guān)系 </p><p>　　所以我把按鍵的焊盤大小設(shè)計(jì)成手指接觸時(shí)的實(shí)際接觸面大小，這時(shí)的感應(yīng)效果和靈敏度已經(jīng)足夠做判定。另外,如果希望通過較厚的材質(zhì)來感應(yīng)，即按鍵上有較厚的覆蓋材料,那么按鍵也要相應(yīng)變大,比如,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),如果要通過2.5mm厚的材質(zhì)做感應(yīng),那么按鍵的大小應(yīng)當(dāng)至少要10mm。小的鍵盤也能工作,但靈敏度和感應(yīng)的準(zhǔn)確性會受到一定影響

76、。</p><p>　　我將焊盤設(shè)計(jì)為如下圖4-5的形狀，即按鍵周圍被接地包圍,以便形成最大范圍內(nèi)的感應(yīng):</p><p>　　圖4-5 按鍵的形狀和尺寸設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.3 按鍵間距</p><p>　　如果按鍵很小，而且按鍵間距很小，那么按鍵間可能會相互影響。電容單元應(yīng)當(dāng)接地，盡可能避免按鍵間的相互干擾，并減小對噪聲的靈敏

77、度。輸入腳和不用的電容性按鍵應(yīng)編程設(shè)為“Strong”GPIO驅(qū)動模式。在這種模式下外界信號不會通過管腳對芯片內(nèi)部構(gòu)成影響，從而去掉該按鍵可能引入的噪聲。</p><p>　　4.3.4按鍵離地距離</p><p>　　按鈕和接地層之間的距離對按鈕的電容設(shè)置發(fā)揮至關(guān)重要的作用，電容感應(yīng)按鍵用Cp表示。按鍵和接地層邊緣的電場線如圖4-6所示。Cp的大小與該電場有關(guān)。當(dāng)按鍵離地距離增加時(shí)電容C

78、p減小。</p><p>　　圖4-6 按鍵和接地層之間的邊緣場</p><p>　　圖4-7顯示了三種按鈕大小（直徑為5mm、10mm和15mm）的情況下離地距離與Cp的關(guān)系曲線。（在本例中，電路板采用FR4材料，厚度為0.062英寸），按鈕上部沒有覆蓋層，接地層與按鈕同位于電路板上，按鈕下沒有金屬層。）</p><p>　　對大多數(shù)的設(shè)計(jì)來說，開始時(shí)最好選用直

79、徑為10mm，離地距離為0.020英寸（0.5mm）的按鈕[9]。 </p><p>　　圖4- 7 按鈕電容（Cp）與按鍵離地距離和按鈕直徑之間的函數(shù)關(guān)系</p><p>　　綜合以上考慮，確定按鍵和周邊接地層的典型設(shè)計(jì)如下圖4-8，即：設(shè)計(jì)焊盤尺寸為0.4英寸，焊盤與周邊接地層的間隔為0.04英寸。</p><p>　　圖4-8 焊盤與PCB設(shè)計(jì)</p

80、><p>　　4.3.5 注意事項(xiàng)及其要素</p><p>　　(1) 按鈕下方金屬襯墊的影響：按鈕下放置金屬填充區(qū)，以控制按鈕的電容。金屬襯墊可提高按鈕計(jì)數(shù)的信號電平，又不會加大噪聲電平。</p><p>　　(2)噪聲：一般情況下，在模擬電路中，噪聲電平會隨著偏置電流的提高而下降。手指觸摸按鍵時(shí)的噪聲電平很大程度上取決于環(huán)境。CSR用戶模塊包括觸摸閾值和噪聲閾值，

81、可以通過相應(yīng)的函數(shù)來調(diào)整這些值，使噪聲最小。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)規(guī)范：根據(jù)相關(guān)手冊進(jìn)行系統(tǒng)配置和調(diào)試，使得理論和實(shí)際操作大體吻合[10]。</p><p>　　4.4 電源模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　為了能更好更安全的為整個(gè)電路供電，所以設(shè)計(jì)了如下圖4-9所示的穩(wěn)壓電路。</p><p>　　圖4-9 穩(wěn)壓電路</p&g

82、t;<p>　　先由變壓器把220V的電壓降壓為15V的交流電壓，通過橋式整流為直流電，經(jīng)過C1和C2的濾波電路，采用三端穩(wěn)壓集成電路lm7805，用lm78系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的lm78后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7805表示輸出電壓為正5V。C3和C4為輸出端濾波電容，

83、R1和D1是起到輸出保護(hù)的作用，一旦輸出電壓不為穩(wěn)壓值時(shí)，D1導(dǎo)通，將輸出電流旁路，保護(hù)lm7805穩(wěn)壓器輸出級不被損壞。最終輸出穩(wěn)定的安全可靠的5V電壓。</p><p>　　4.5顯示模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)顯示模塊時(shí)，在PSoC的輸出端接入LED燈來顯示是否有感應(yīng)，串聯(lián)進(jìn)510歐的電阻來限流，用于保護(hù)LED燈，當(dāng)LED燈亮?xí)r，證明有感應(yīng)，所以就要把相應(yīng)的信號給液晶顯示器

84、，由它來顯示最終結(jié)果。</p><p>　　在這里，我選用通用型1602液晶顯示器（如圖4-11）來進(jìn)行設(shè)計(jì)。各種型號的液晶通常是按照顯示字符的行數(shù)或液晶點(diǎn)陣的行，列數(shù)來命名。如：1602意思是每行顯示16個(gè)字符，一共可以顯示2行。</p><p>　　圖4-11 1602液晶顯示器實(shí)物圖</p><p>　　1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的

85、LCD，多出來的2條線是背光電源線。下面是1602型液晶接口信號說明表（如表4-12）。</p><p>　　表4-12 1602型液晶接口信號說明表</p><p>　　根據(jù)以上圖表的說明和具體參數(shù)，我設(shè)計(jì)了如下圖4-14的PSoC輸出端與LED接口和1602液晶與PSoC單片機(jī)的接口電路。</p><p>　　圖4-14 1602液晶與PSoC單片機(jī)的接口&l

86、t;/p><p>　　完成了以上設(shè)計(jì)以后，在PCB板上，用12個(gè)焊盤做成3*4個(gè)按鍵，在加上PSoC芯片和12個(gè)LED燈。按鍵尺寸采用了典型值0.40英寸，按鍵和周邊接地層的間隔也采用了典型值0.040英寸。按鍵的連線通過過孔連到PSoC通用I/O口。在使用中，如果把手指輕放到觸鍵表面，相應(yīng)的LED燈將會亮，表明PSoC接收到了手指所觸按鍵部分的感應(yīng)電容,并且經(jīng)過處理和判定后確認(rèn)按鍵有效,發(fā)出控制輸出信號即LED的點(diǎn)

87、亮信號。最后，通過LCD顯示出相應(yīng)的結(jié)果?？傮w電路圖和PCB板制作圖，祥見附錄。</p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)用的是PSoC Designer5.0中的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，它相當(dāng)與前面介紹到的PSoC Express。PSoC Designer 的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)好處就在于無需進(jìn)行匯編或 C 語言的編程或調(diào)試。這

88、實(shí)際上是簡化了開發(fā)過程，縮短了設(shè)計(jì)周期。下面是設(shè)計(jì)軟件的流程和步驟： </p><p>　　(1)進(jìn)入新建項(xiàng)目窗口（new project），如圖5-1選擇System-level Project ，輸入文件名，然后選擇存儲目錄，點(diǎn)擊OK。</p><p>　　圖5-1 新建項(xiàng)目窗口</p><p>　?。?）進(jìn)入design界面如圖5-2，點(diǎn)擊左邊設(shè)計(jì)目錄的Inp

89、uts按鈕，找到CapSense -- CapSense -CSD， 把Buttom-CSD 直接拖到設(shè)計(jì)區(qū)域，會出現(xiàn)一個(gè)“add input driver”窗口，把名字改為Button1，下方有屬性欄，我們在這次設(shè)計(jì)里使用默認(rèn)屬性， 然后點(diǎn)擊OK。</p><p>　　圖5-2 設(shè)計(jì)Button按鈕</p><p>　　（3）如圖5-4這時(shí)候又會出現(xiàn)CapSense Properties

90、 – CSD驅(qū)動窗口，把名字改為CSD，屬性為默認(rèn)屬性，然后點(diǎn)擊OK。如圖5-3這個(gè)設(shè)計(jì)里我們設(shè)計(jì)12個(gè)按鈕，我們現(xiàn)在添加剩下的11個(gè)。</p><p>　　圖5-3 設(shè)計(jì)CSD窗口</p><p>　　圖5-4 設(shè)計(jì)12個(gè)Button按鈕</p><p>　　（4）因?yàn)橐褂帽O(jiān)控和調(diào)試，所以如圖5-5還要再添加一個(gè)I2C通訊接口，在Interface下找到Comm

91、unication-I2C-Slave，添加，名字改為I2C。</p><p>　　圖5-5設(shè)計(jì)I2C通訊接口</p><p>　?。?） 完成前面四步我們就設(shè)計(jì)完了整個(gè)項(xiàng)目，如圖5-6開始Build，選擇CY8C21534, 24-Pin QFN，確保Flash Interface是Enable，因?yàn)檫@樣才能進(jìn)行調(diào)試，點(diǎn)擊next。</p><p>　　圖5-6

92、創(chuàng)建Build項(xiàng)目</p><p>　　(6) 如圖5-7進(jìn)入分配引腳界面，引腳分配取決于整個(gè)設(shè)計(jì)方案，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)和CY8C21534的具體引腳圖。 分配好所有的管腳以后，點(diǎn)擊next。</p><p>　　圖5-7 引腳分配圖</p><p>　?。?）Build結(jié)束后如圖5-8進(jìn)行器件編程，在編程之前要確保編程器MiniProg已經(jīng)連接到試驗(yàn)板。</p&

93、gt;<p>　　圖5-8建立好的模塊</p><p>　?。?）當(dāng)已經(jīng)把十六進(jìn)制文件下載到芯片后，然后我們進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)試，如圖5-9進(jìn)入Monitor，點(diǎn)擊綠色箭頭，開始監(jiān)控。</p><p>　　圖5-9 Monitor模塊 </p><p>　　（9） 我們現(xiàn)在可以開始調(diào)試了，調(diào)試主要是用來改變按鍵的靈敏度等參數(shù)，選中一個(gè)按鍵比如Button1，

94、右擊，選擇Show Tuner。如圖5-10 現(xiàn)在我們看到的就是調(diào)試窗口，左面是我們之前設(shè)置的參數(shù)，右面就是圖形顯示界面，現(xiàn)在我們看到的是沒有手指存在時(shí)Button1的狀態(tài)。當(dāng)我們把手指觸摸button1時(shí)，紅柱就會超過手指極限那條藍(lán)線，在調(diào)試窗口上方也會出現(xiàn)一條橫的紅柱，這說明這個(gè)按鍵處于活動狀態(tài)。 下面我們調(diào)一下參數(shù)，讓這個(gè)按鍵的靈敏度更合適，可以改變Scanning Resolution 和Ref Value 等設(shè)置，增加Ref

95、Value ，Button的靈敏度就會降低，先改變Ref Value為8，然后點(diǎn)擊Apply To Board 按鈕，新的設(shè)置就會寫到PSoC寄存器里。這樣，就完成了整個(gè)軟件部分的設(shè)計(jì)和調(diào)試。</p><p>　　圖5-10 調(diào)整靈敏度窗口 </p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過整個(gè)電容感應(yīng)觸摸鍵盤的設(shè)

96、計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)電容感應(yīng)式觸摸按鍵的方案非常簡潔,外圍器件所需極少,方案需要的大部分硬件資源也可由PSoC內(nèi)部的模塊定制設(shè)計(jì)而得,使系統(tǒng)具有非常高的集成度。這個(gè)方案不僅降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本(處理芯片的成本，外圍配置元器件的成本，和按鍵的成本),而且,由于軟件和硬件結(jié)合設(shè)計(jì),使得硬件資源和參數(shù)都可以在設(shè)計(jì)過程中靈活的進(jìn)行配置和調(diào)整,所以整個(gè)設(shè)計(jì)很靈活,同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本。但是，由于硬件方面的需求難以很好的實(shí)現(xiàn)，所以在調(diào)試和監(jiān)測方面

97、還存在欠缺。</p><p>　　在本次的設(shè)計(jì)與制作中我不但能把電路分析、電容感應(yīng)原理與應(yīng)用等知識系統(tǒng)的結(jié)合起來，能把新的知識有效的應(yīng)用起來，而且通過設(shè)計(jì)電路原理圖、PCB板和PSoC單片機(jī)使我在原有的基礎(chǔ)上得到了提高。整個(gè)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的過程不僅讓我“溫故而知新”，資料的查閱讓我掌握了很多課堂上學(xué)不到的知識，也增強(qiáng)了自己實(shí)踐動手能力，培養(yǎng)了查閱資料能力；通過查閱手冊和文獻(xiàn)資料，進(jìn)一步熟悉各個(gè)器件并掌握合理選用的原則，

98、培養(yǎng)了獨(dú)立分析與解決問題的能力，也增進(jìn)了師生之間的感情交流，最重要的，是我學(xué)到了一種學(xué)習(xí)方法和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]翁小平.觸摸感應(yīng)技術(shù)及其應(yīng)用——基于CapSense[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010，1.</p><p>　　[2]鄭贊.觸摸屏多點(diǎn)觸摸技術(shù)揭秘[J]

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