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怎么理解电磁炉中电容式触控的原理?看完这篇恍然大悟

时间:2021-02-23 电容式触控,

相较于机械式按键和电阻式触摸按键电容式触摸按键不仅耐用,造价低廉,机构简单易于安装,防水防污,而且还能提供如滚轮、滑动条的功能。但是电容式触摸按键也存在很多的问题,因为没有机械构造,所有的检测都是电量的微小变化,所以对各种干扰敏感得多。ST针对家电应用特别是电磁炉应用,推出了一个基于STM8系列8位通用微控制器平台的电容式触摸感应方案,无需增加专用触摸芯片,仅用简单的外围电路即可实现电容式触摸感应功能,方便客户二次开发。

方案介绍

ST公司的电容式触摸按钮方案通过电阻和感应电极的电容Cx组成的电阻-电容网络的充放电时间来检测人的触摸引起的电容变化。

图1STM8S电容式触摸按钮工作

电磁炉是采用磁场感应电流的加热原理对食物进行加热。加热时,通过面板下方的线圈产生强磁场,磁力线穿过导磁体做的锅的底部时,锅具切割交变磁力线而在锅具底部产生涡流使锅底迅速发热,达到加热食物的目的。在本解决方案中采用44pin的STM8S105S4做按键显示板的主控芯片,控制13个按键的扫描、24个LED及一个4位数码管的显示、I2C与主板的通讯,并留有一个SWIM接口方便工程师调试之用(如图2)。

STM8S105S4采用的是ST高级STM8内核,具备3级流水线的哈佛结构,3.0~5.5V工作电压,内部16MHzRC可提供MCU16MHz工作频率,提供低功耗

图2电磁炉按键板原理

电磁炉工作环境的干扰

1.电磁干扰

电磁炉在加热锅的同时,也对电路板上感应电极具有正向或反向的电流,从而会缩短或增长以及按键进行充放电时间,会对一个按键的检测系统造成企业很大发展影响,甚至可以产生误动作,常见的方法研究采用不同硬件屏蔽和过零点检测来消除电磁辐射对按键的影响。

硬件屏蔽

在STM8S解决方案中,ST提供了感应电极和布线的设计规范以及如图3所示的DrivenShield功能(屏蔽线上提供了与按键引脚相同的驱动信号,使得电极和屏蔽层之间的寄生电容不会被充放电),可以有效降低感应电极布线的寄生电容对按键灵敏度的影响。

图3DrivenShield

过零点检测

1)硬件过零点检测

零点检测可以通过硬件实现,在硬件设计上,可以增加图4或图5的硬件检测电路零点,通过输出在B侧进行大功率和平时期关键状态判断,以期在触摸按钮检测时将电磁辐射达到最低。

图4硬件过零检测电路1

图5硬件过零检测电路2

2)软件过零点检测

硬件过零点检测增加硬件电路设计的复杂性,增加方案成本,在我们的解决方案中,针对电磁炉的工作环境,我们采用软件进行过零点检测,从而降低成本,有效解决电磁炉主功率电路对触摸按键的干扰

2.电网干扰

因为中国国内智能电网企业质量标准不一,在一些质量差的地区,容易造成影响电磁炉触摸按键的正常进行工作。如果不能做电源隔离,就会可以看到一下图6的差别(蓝色表示无按键,红色文化表示键被按下),而这些图还只是在电磁炉没有开功率的情况下的,当电磁炉工作时产生的电磁辐射将会使我们看到的信号处理更加杂乱无章。在实验中发现,采用与外界电网安全隔离或使用管理软件设计滤波,按键效果方面都能通过得到发展明显提高改善。

图6优质电网劣质电网1劣质电网2

3.溅水,溅油的影响

在使用感应炊具时,水或油经常溢出到触摸板上,这可能导致钥匙被错误地触发,解决方案使用特殊的软件算法将水溅油与手指按压的状态可靠分离。

4.环境自适应能力

电磁炉在工作的时候,会产生大量的热量与湿气,面板温度/湿度,电路板温度/湿度都是会在一个很宽的范围浮动,而随着使用时间的推移,包括玻璃面板、PCB板都会出现不同程序的老化,从而影响按键检测的准确度。在ST的解决方案中,实现了自动校准功能,实时地提供环境检测,实现环境自适应的机制。

总结

提供触摸屏自校准、软件过滤、软件过零检测和环境适配等解决方案。软件算法尽可能地用于屏蔽各种复杂环境的干扰,具有成本低、工作可靠的特点。当然,在其他产品的应用中,也会有一些不同于电磁炉环境的要求。这里我们只介绍一些典型的干扰,但是只要我们掌握了电容式触摸的工作原理,仍然有许多方法来处理各种应用。

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