本科毕业设计题目：基于STM8单片机的电容触摸按键设计与实现学 院： 应用科技学院 专 业： 电子信息工程 年 级： 2010级 学 号： 120352010069 姓 名： 邵晓斌 指导教师： 苏伟达 2012年4月20日基于STM8单片机的电容触摸按键设计与实现应用科技学院学院 电子信息工程专业120352010069 邵晓斌 指导老师 苏伟达【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 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 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 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;buttons; touch; soft. 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1731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，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，完成一个大学里面完整的毕业设计。2. 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。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，VOUT 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VOUT 的电压达到阀值VTH 所需要的充电时间（tC），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，CT）。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。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（CX）和手指电容（CT）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2.4 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（VTH）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11. 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初始值（vih_start）；21. 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