Easyelectronics.ru

Штатная библиотека сенсорных кнопок STM8_TSL_RC основана на принципе измерения времени заряда RC цепочки, состоящей из ёмкости сенсорного датчика и резистора подтяжки.

Для измерения ёмкости сенсора в пределах 5-20пФ требуется большая величина подтягивающего резистора. В некоторых конструкциях используется сопротивление до 1-5 мегаом. Кто внимательно прочитал даташит, тот понял, что при большом сопротивлении резистора подтяжки кнопка становится чувствительной к наводкам, и требуется организация «плавающего экрана» - а это дополнительный вывод процессора. К тому же такой метод измерения ёмкости требует высокой тактовой частоты процессора для того, чтобы точно подсчитать длительность цикла заряда RC цепочки. При низкой тактовой частоте этот способ вообще не работает.
Метод измерения ёмкости сенсорного датчика с переносом заряда не зависит от скорости работы процессора, так как измеряемой величиной является не время заряда RC цепочки, а количество циклов накачки накопительного конденсатора. Разрешающая способность при таком методе измерения зависит только от отношения ёмкости накопительного конденсатора к ёмкости сенсорного датчика. Значит, при соответствующем выборе величины накопительной ёмкости мы сможем измерять очень незначительные колебания ёмкости датчика. А это позволит использовать датчики меньшего размера и сделать их более чувствительными. У меня получилась корректная работа с сенсорными кнопками на расстоянии до 4-х миллиметров. Иными словами, сенсорная клавиатура на обратной стороне 2-х миллиметрового стеклотекстолита работает с большим запасом.
Как реализована работа сенсорных датчиков?
Мой вариант сенсорного датчика с переносом заряда требует два вывода микропроцессора на одну кнопку. Это не больше, чем вариант с активным экраном. На сенсоре из трёх датчиков с шестью используемыми выводами можно получить шесть кнопок, а это уже совершенно приемлемо по соотношению количества выводов микропроцессора на одну виртуальную кнопку.
Измерительная схема:

На рисунке схематично показано два вывода микропроцессора, выходные МОП транзисторы нарисованы как выключатели с двумя состояниями. Вывод А используется и для управления, и для оценки напряжения зарядки накопительного конденсатора C1. Вывод B используется только как ключ, замыкающийся на массу, поэтому в его качестве можно использовать вывод с открытым стоком (в STM8S их два).
Принцип измерения. Весь цикл можно разделить на шесть фаз.
Фаза 1. Подготовка к измерению. Разрядка конденсатора.

Оба вывода замкнуты на массу. Конденсатор C1 разряжается до нуля.
Фаза 2. Пауза. Размыкание ключей.

Этот момент нужен для подготовки к зарядке ёмкостного датчика. Оба вывода переведены в разомкнутое состояние.
Фаза 3. Зарядка сенсора.

В этот момент ёмкостной датчик Cx заряжается до напряжения питания через вывод порта A. Поскольку порт B находится в разомкнутом состоянии, напряжение на накопительном конденсаторе C1 не изменяется.
Фаза 4. Пауза.

Снова размыкаем выводы обоих портов. Разница между этим моментом и фазой 2 в том, что конденсатор ёмкостного датчика заряжен до напряжения питания.
Фаза 5. Зарядка накопительного конденсатора.

В этот момент накопительный конденсатор подключается параллельно емкостному датчику. Заряд ёмкостного датчика распределяется между конденсатором и датчиком. Напряжение, которое получится после зарядки накопительного конденсатора, зависит от отношения ёмкости датчика и конденсатора. В моём случае ёмкость конденсатора примерно в 200 раз больше, чем ёмкость датчика. Значит, полученное напряжение в 200 раз меньше напряжения питания микроконтроллера. Этого недостаточно для измерения. Но самое главное, это напряжение прямо зависит от ёмкости самого сенсорного датчика!
Фаза 6. Измерение напряжения.

В этот момент не происходит переключение портов, просто анализируется уровень напряжения на ножке A. Если уровень меньше порогового, цикл повторяется с фазы 2 до тех пор, пока напряжение на выводе А не достигнет порога переключения логического входа.
Результатом измерения является количество циклов.

На временном графике показаны все фазы и напряжения на выводах микроконтроллера:

А вот диаграмма напряжений на выводе A, снятая осциллографом, в большем временном отрезке:

Здесь видно количество циклов измерения и постепенное увеличение напряжения на накопительном конденсаторе.

Программа управления написана на Си. Я думаю, что с небольшими правками её можно перенести на любую платформу и любой микроконтроллер.
Управлять выводами контроллера просто, но есть одна особенность: в STM8S есть такое сочетание управляющих регистров, которое вызывает прерывание по порту. Пришлось внимательно следить за последовательностью переключения регистров, чтобы избежать этой ситуации.
Для независимой работы от остальной части программы я применил конечный автомат. Вот текст программы драйвера кнопки:

Эта программа периодически вызывается в теле основного цикла программы. Как только получили сообщение от таймера о запуске цикла измерения, то программа отработает цикл измерения ёмкости и запустит анализ ёмкости кнопки. Это отдельная программа и её работа не будет описана в этой статье.
Для правильной компиляции нужно объявить ножки процессора с нужными присваиваниями. Например:

И ещё. Для ножек, у которых альтернативной функцией определен вход АЦП, можно отключить входной триггер Шмидта для устранения его влияния на заряд конденсатора.

Как настраивать такую систему? Конструкция ёмкостного датчика может быть различной. Главное учитывать то обстоятельство, что измеряется ёмкость между сенсорным датчиком и общим проводом. Это значит, что на передней панели недалеко от датчика должен быть полигон земли, чтобы касание пальца вносило дополнительную ёмкость между полигоном датчика и полигоном общего провода. А то некоторые жалуются на плохую работу сенсоров при питании от батарей, а про общий провод забыли. Если у самого устройства ёмкость общего провода маленькая относительно земли, то откуда взяться большой ёмкости при касанию к датчику? Ёмкость накопительного конденсатора выбирается такой, чтобы не происходило переполнения счётчика при наименьшей ёмкости датчика, но была достаточна для распознавания даже лёгких касаний. Не забудьте, что число циклов обратно пропорционально ёмкости датчика – при касании число циклов уменьшается.