Введение

   Во многих современных устройствах в качестве органов управления используются сенсорные кнопки. Например, у меня на кухне с помощью сенсорных кнопок включается и выключается варочная поверхность. 
   Сенсорные кнопки хороши тем, что для них не нужны отверстия в корпусе, и у них отсутствует механический износ, присущий традиционным кнопками. Кроме того конструкция сенсорной кнопки, если не считать электронную начинку, намного проще механической, ведь это обычная проводящая поверхность изолированная слоем диэлектрика, и ей можно придать практически любую конфигурацию. 
   В этой статье я расскажу о простой реализации сенсорной кнопки на микроконтроллере. 

Принцип работы сенсорной кнопки

   По сути, сенсорная кнопка - это сенсор, то есть какая-то проводящая поверхность, и контроллер, измеряющий его емкость (способность накапливать электрический заряд). При неизменных условиях внешней среды емкость сенсора не меняется. Но когда к нему подносится палец, его емкость увеличивается. По этому изменению контроллер "делает вывод", что пользователь нажал на кнопку. 
   Емкость измеряется путем подсчета времени, которое требуется для ее заряда до определенного уровня напряжения. Это время зависит как от значения емкости, так и от величины зарядного тока, которая задается какой-то внешней цепью. В простейшем случае эту роль может выполнять резистор, подключенный одним концом к источнику питания, а другим к сенсору. 

   где Cs - емкость сенсора, Cf - емкости вносимые прикосновением пальца. 

   Поскольку емкость сенсора и ее изменения очень маленькие (единицы, десятки пикофарад), то время заряда тоже будет небольшим. Чтобы упростить измерение времени заряда, нужно увеличить его значение, а для этого необходимо заряжать емкость сенсора очень маленьким током (микроамперами).

Конфигурация сенсорной кнопки

   От конфигурации (от его формы и размера) сенсора зависит его емкость. У меня в проекте использовался сенсор в виде вытравленной круглой контактной площадки диаметром 1 см. Также я пробовал использовать прямоугольные кусочки фольгированного текстолита разного размера. Чем больше площадь сенсора, тем больше его емкость и тем более чувствительную сенсорную кнопку можно сделать. 
   Чувствительную в том плане, что она будет в состоянии срабатывать через толстый слой диэлектрика. Вообще на эту тему лучше почитать атмеловские материалы, поскольку сейчас я об этом мало что могу сказать. 

Схема

   

   Схема, которую использовал я, представлена на рисунке выше. 
   Сенсор через резистор подключен к выводу микроконтроллера, который подтянут высокоомным резистором к плюсу питания. Первый резистор служит простейшей защитой от электростатики (ESD), а второй ограничивает зарядный ток. 
   В начальный момент вывод микроконтроллера работает в режиме выхода и на нем установлен уровень логического нуля. Емкость сенсора, если она имеет какой-то заряд, быстро разряжается на внутренние цепи микроконтроллера. Когда она разрядится вывод микроконтроллера переключится в режим входа с отключенным подтягивающим резистором и емкость сенсора начинает заряжаться через внешний высокоомный резистор. В это время программа опрашивает состояние вывода микроконтроллера и подсчитывает количество циклов опроса. Когда емкость зарядится до напряжения логической единицы, микроконтроллер зафиксирует это и сравнит состояние счетчика с каким-то пороговым значением. По результату этого сравнения микроконтроллер определяет поднесен ли к сенсору палец или нет. 

Код

   Сам принцип думаю понятен, теперь можно посмотреть как это может выглядеть в Си коде. Для реализации одиночных сенсорных кнопок, я написал небольшой программный модуль - драйвер. 

   Чтобы добавить его в свой проект, нужно переписать заголовочный и сишный файл драйвера (sensor.c и sensor.h) в папку проекта, добавить сишный файл sensor.c к проекту внутри среды разработки и включить заголовочный файл драйвера sensor.h (с помощью директивы include) в свой файл, где будут использоваться функции драйвера. 

   Разберем как им пользоваться. Для хранения настроек сенсора используется структура данных sensor_t. В настройки сенсорной кнопки входит адрес порта, номер вывода в порте, пороговое значение и текущее состояние. Чтобы добавить к проекту сенсорную кнопку, нужно для начала создать переменную типа sensor_t. 

Пример:

#include "sensor.h"
....
//объявляем сенсорную кнопку
sensor_t sensor1;

   Для инициализации используется функция SENS_Init(...) которой нужно передать адрес переменной, хранящей настройки, номер вывода микроконтроллера, адрес используемого порта и пороговое значение срабатывания. Пороговое значение зависит от емкости сенсора (от его геометрии) и от зарядного тока. Сейчас значение можно определить только экспериментально, потом я хочу добавить функцию калибровки.

Пример:

//инициализация sensor1 - 0-й вывод порта B, порог - 25 циклов опроса.
SENS_Init(&sensor1, 0, &PORTB, 25);

   Опрос одной сенсорной кнопки выполняет функция SENS_Poll(...), которой нужно передать адрес переменной типа sensor_t. Эта функция возвращает состояние сенсорной кнопки. Для всех возможных состояний сенсорной кнопки объявлен специальный тип данных sensor_state_t. Но функция опроса возвращает только два состояния SENS_PRESSED и SENS_NOT_PRESSED. Остальные состояния сделаны на будущее.

Пример:

//опрос одной сенсорной кнопки
if (SENS_Poll(&sensor1) == SENS_PRESSED){
// зажечь светодиод
...
}

   Функция SENS_Poll(...) выполняет один цикл разряда- заряда сенсора.

void SENS_Poll(sensor_t *sens)
{
   uint8_t count = 0;
   uint8_t pin = sens->pin;
   volatile uint8_t *port = sens->port;
 
   /*разрядка конденсатора*/ 
   DirReg(port) |= 1<<pin;
   while(PinReg(port)&(1<<pin) != 0 ){
      count++;
      if (count > SENS_COUNT_MAX){
         return;
      }
   }

   /*заряд конденсатора и подсчет времени*/
   count = 0;
   DirReg(port) &= ~(1<<pin);
   while((PinReg(port)&(1<<pin)) == 0){
      count++;
      if (count > SENS_COUNT_MAX){ 
         break;
      }
   }
 
   /*сравнение вр. разряда с калиброванным значением*/
   if (count > sens->calibr){ 
      sens->state = SENS_PRESSED;
   }
   else{
      sens->state = SENS_NOT_PRESSED; 
   } 
}

  Для достоверного определения состояния сенсора, эту функцию лучше вызывать несколько раз. Так же как делается при опросе механических кнопок. Работу функции нежелательно прерывать прерываниями, иначе подсчет времени заряда будет некорректным. Частоту вызова функции опроса можно сделать такой же, как при работе с механическими кнопками. Функция не оптимальная, из-за того, что доступ к порту осуществляется через указатель. Но это позволяет упростить процедуру настройки сенсора, используя только адрес регистра PORTX, а адреса регистров DDRX и PINX вычисляются из него.  
   И последняя функция драйвера - это SENS_GetState(...). Она просто возвращает текущее значение сенсорной кнопки.

Пример:

//переменная типа sensor_state_t
sensor_state_t state;

...
state = SENS_GetState(&sensor1);
if (state == SENSOR_PRESSED){
 //сделать что-нибудь
 ...
}

   Код самого тестового проекта очень простой. Инициализация выхода для светодиода, инициализация сенсорной кнопки и бесконечный опрос кнопки в цикле while(1). Никаких прерываний не используется. Частота работы микроконтроллера 9.6 МГц.

Файлы

Сенсорная кнопка на attiny13. Проект для IAR AVR.

Ссылки

Сенсорные кнопки. Реализация Петрова.