触摸式取暖器温控电路的设计与实现-学位论文.doc

计算机信息工程学院毕业设计说明书
触摸式取暖器温控电路的设计与实现
摘要
本文的主要目的是介绍触摸式取暖器其温控电路的设计与实现。取暖器是冬天最常用的民用产品，随着新型电子元器件的，在高档家用取暖器中以触摸式按键代替传统的机械按键开关或者弹触开关进行相关的操作。
该产品的主芯片利用的是STM8S105K4单片机，STMicroelectronics公司为了顺应时代的发展，已经开发了一整套的触摸感应软件库，使得任意一款8位的STM8系列单片机都可以成为一个电容式触摸按键处理芯片，用COSMIC C进行编程实现其触摸操作，软件实现需要用到ST TOOLSET提供的相关软件开发环境。本产品也实现了红外控制功能，根据红外机制，利用相应的IrDA红外器件配置了一个红外遥控器、主板上有相应的接收器。同时配置了温度传感器，其利用了热敏电阻的性质，用来对温度的采集，测量的温度数据被转换成模拟信号，然后内核将此信号再转换为数字信号，时钟模块实现了日期时间的实时更新与调节，这些信息均能通过LED显示屏显示出来，其中显示电路用到了TM1668显示驱动芯片，蜂鸣器起到报警和提示的功能，这是很多电子产品必不可少的一部分。在电源电路的设计上，需要全面考虑各元器件的额定电压，已确保整个装置的安全，实现稳流、稳压、低功耗、安全节能。
目前市场上取暖产品各种各样，它们带给了人们很多的温暖这是显而易见的，但由于使用不当或者产品本身问题，也存在着较多的问题。该产品的出现，以其自身独具特有优势，很受广大消费者的欢迎，相信在不久的将来会在该领域抢先占得一席之地。
关键词：触摸式取暖器 STM8S105K4ST TOOLSET IrDA器件 COSMIC

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Abstract
The main purpose of this paper is to introduce touch-heater temperature control circuit design and implementation. Heater is the most common winter civilian products, along with new electronic components, high-end home heating to touch buttons instead of the traditional touch switches or membrane switch to control its operation.
The main advantage of this product is STM8S105K4 chip microcontroller, STMicroelectronics companies in order to conform to the development of the times, has developed a set of touch-sensing software library, making any of a series of 8-bit STM8 microcontroller can be used as a capacitive touch button controllers use with COSMIC C programming to achieve its touch operation, software implementation need to use ST TOOLSET provide related software development environment. This product is also achieved infrared control function, according to the infrared system, using the corresponding IrDA infrared devices equipped with an infrared remote control; there is a corresponding receiver on the motherboard. Configured with a temperature sensor, which utilizes the nature of the thermostat is used to collect temperature, measured temperature data is converted into an analog signal, and then the core of this signal is then converted to a digital signal, a clock module of the date and time real-time updates and regulation, such information can be displayed via LED display, which shows the circuit used in the TM1668 display driver chip, buzzer alarm and prompt play function, which is an essential part of many electronic products. In the design of the power supply circuit, the need to take full account of the various components of the rated voltage, has been to ensure the safety of the device, to achieve steady flow, voltage, low power consumption, energy security.
A wide variety of heating products currently on the market, they bring a lot of people warm this is obvious, but the product itself due to improper use or questions, there are more problems. Appearance of the product, because of its unique advantages, popular with the majority of consumers believe that in the near future will be the first occupying a place in the field.
Key words: Touch heater STM8 ST TOOLSET IrDA Components COSMIC C

目录
目录 I
第1章 绪论 1
1.1 课题背景与现状 1
1.2 开发平台与产品 2
1.3 设计需求 2
1.4 本章小结 3
第2章 设计方案 4
2.1 设计概述 4
2.2 方案比较 4
2.3 设计要求 5
2.4 本章小结 6
第3章 各组成部分概述及硬件设计 7
3.1 STM8S系列单片机 7
3.1.1 STM8S系列单片机概述 7
3.1.2 STM8S主要特点: 7
3.1.3 STM8S主要应用: 8
3.1.4 STM8S开发套件 9
3.1.5 STM8S105K4MCU 10
3.2 触摸按键的设计 11
3.2.1 RC触摸感应简述 11
3.2.2 RC感应原理 12
3.2.3 触摸感应的硬件设计 13
3.3 IrDA红外通讯模块的设计 14
3.3.1 IrDA简介 14
3.3.2 IrDA器件的构成与简介 15
3.3.3 红外遥控电路的设计 17
3.4 LED显示器 18
3.4.1 TM1668概述 18
3.4.2 TM1668特性说明 19
3.4.3 主要应用 19
3.4.4 显示电路的设计 20
3.5 实时时钟 20
3.5.1 HYM1302概述 20
3.5.2 HYM1302特点 21
3.5.3 HYM1302应用 22
3.5.4 时钟模块的电路设计 22
3.6 温度传感器 23
3.6.1 温度传感器概述 23
3.6.2 NTC温度传感器的特性与应用 24
3.7 蜂鸣器模块 24
3.8 电源电路的设计 25
3.8.1 5V开关电源稳压电路 25
3.8.2 加热设备电源电路 26
3.9 本章小结 26
第4章 软件设计 27
4.1 STM8集成开发环境介绍 27
4.1.1 ST TOOLSET 27
4.1.2 Cosmic C编译器 29
4.2 软件设计流程 30
4.2.1 主程序工作原理 31
4.2.2 主状态机工作流程 32
4.3 分块系统的设计 34
4.3.1 触摸按键程序的设计 34
4.3.2 红外遥控程序设计 37
4.3.3 传感器的温度采集 39
4.3.4 系统加热控制设计 41
4.4 本章小结 42
第5章 制作与仿真调试 43
5.1 使用的仪器仪表及工具 43
5.2 硬件制作与调试 43
5.2.1 电路板的设计 43
5.2.2 系统硬件调试 44
5.3 软件调试 45
5.3.1 调试与错误分析 45
5.3.2 调试结果与心得 48
5.4 本章小结 48
第6章 总结与展望 49
6.1 设计总结 49
6.2 前景展望 50
致谢 51
参考文献 52
附录 53

前言
在寒冷的冬天最开心之事莫过于得到春天般的温暖。在科技不发达的年代人们已经想到各种办法在冬天进行取暖，如：烧材取暖、炕上取暖，进而演变成目前各式各样的由科技催生的产品——取暖器步入千家万户。综合来看，每年都会由于各种原因而造成暖器所带来的事故。因此在21世纪这种科技高度发展的今天急需运用新技术研发出一种安全、高效、节能的取暖器产品来解决这种状况，触摸式取暖器的研发不仅是技术上的突破，也给对当今取暖器市场注入了新的活力，它给用户带来了温暖和舒适安全的享受，大大丰富了人们冬天的生活条件。不断的追求新技术的应用是每个行业都关注与研究的重点。
2013年的冬季来临之际，新一代的取暖器设备——触摸式取暖器应运而生。该产品一经投入市场就吸引了广大用户的眼光，它全新的操控流程、人性化的使用感受得到人们的广泛亲睐。经市场论证，该产品已颠覆传统的形式给大家带来了温暖的享受，其独特的性能也使其能抢得市场先机。
触摸式取暖器的研发也是一个大胆的尝试，其取暖过程中自动化控制程度较高。传感器对温度的采集，经过分析是否达到预设温度，再进行温度的调控，这与传统的取暖器有着很大的不同，传统的取暖器不停的加热电阻进行温度的不断传送，没有这种温度的调控。该产品不仅是对自身设备的一种保护，更保护了用户的安全与感受。该产品的研究思想也能应用到其他家居产品上来。

III

第1章 绪论
11 课题背景与现状
时代总是大步的前行，在科技高速发展的今天谁站在了科技的前端谁就能占据市场。各行各业都在面对日趋日益的竞争，大家都在寻求新的出路，特别是电子科技类的公司，不断的运用新技术来推陈出新才是最好的发展之路。
取暖器是一个普通的家用家电设备，在冬天有着一个很大的应用市场，特别是在寒冷的北方，应该来说是家居必备。传统的取暖器（图1-1）实现了温度的采集与扩散，其对四周的温度是一个不断加热的过程，存在着诸多的隐患，而本产品——触摸式取暖器（图1-2）基于此缺陷上进行了大胆的革新，其不仅实现了传统取暖器的功能，也能实现对温度的自动调控，很大程度上满足了用户的需求。同时，该取暖器还搭配了红外控制模块，无需接触取暖器，在一定的距离之内，通过手中的遥控器就能对取暖器进行设置，达到自己预期的目的。其独特的自动锁、时钟显示、模式切换都是该产品的亮点。

图1-1触摸式取暖器 图1-2传统取暖器
目前该产品已经得到市场的认证，其技术也会被不断的应用到相关的领域。在本文中，会详细的介绍该产品极其运用的相关技术。
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1.2 开发平台与产品
触摸式取暖器故名思议就是配置了触摸按键的取暖器，当今我们的生活中与触摸设置息息相关，如：手机、平板电脑、音乐播放器等等。本产品的出现更加接近了我们的生活，其运用了STM8单片机的特性设置了表面电容式触摸按键，表面电容按键由一个连接到设备的单端铜电极组成，它不必非常灵敏，因为他仅仅需要感应是否有手指按下或者释放。该产品就很好的运用了该技术，当然它的魅力不仅在于此，它给我们的生活带来了诸多的可行性。
近年来，基于STM系列单片机的应用开发越来越多的深入到我们的日常生活中来。如：智能家居、医疗设备、公共建设等各个方面。其低成本、开发周期短、产品可延续性强的优越性都是不言而喻的。STM8系列单片机在这些方面表现出了更强的适应力，我们利用其官方提供的资料能更好的进行相关方面的学习与开发。
硬件方面的主要设计就是电路的设计，我们除了触摸模块利用了STM8单片机的特性，还应用了IrDA红外器件对红外控制模块进行了设计，此举大大的方便了用户的操作。软件方面我们利用了COCMIC官方提供的CXSTM8环境结合ST Visual Develop环境进行C语言的编程设计，以此来实现触摸控制。为了实现该方面的工作，环境的配置是前提，必须首先向COSMIC公司申请注册信息，以邮件的方式向该公司发送注册信息，收到回复后将邮件所回复的注册信息复制到注册文件夹中去。这样可以得到一年的免费应用权，利用该软件进行项目的开发与学习。该编译环境有着强大的编译能力，识别错误能力很强，能使程序员第一时间发现错误并去纠正。利用ST公司的仿真器进行仿真学习，能观察到程序进程，各步骤变量与参数的变化，更加利于产品的开发。
该产品就是基于这些技术的前提下而研发的，简便安全的操作深得广大用户喜爱，倾倒后自动断电的设置与儿童锁加大了该产品的安全性，对流式加热空气中的温度也使用户感觉更加舒适。
1.3 设计需求
为了达到使产品的成功实现，需要做大量的工作。最主要的是实现触摸控制，关系到软、硬件两个方面的设计。其市场目的显而易见，对传统的取暖设备进行更新，顺应广大用户的需求，实现高效、节能、人文关怀的理念。对于该课题的研究就具有很深刻的学习意义，意法半导体的STM8系列8位MCU为工业生产以及家电应用提供了良好的解决方案，学习该方面的内容能应用到我们生活中来，与日常生产息息相关。最新的MCU结合了3级流水线的架构，使STM8S 系列MCU具有最优益的性能。对其开发环境的学习也比较直观易用，缩短了产品的上市时间。
由于环境的不断恶化、能源危机的加重，显然传统的燃火取暖、纯电阻加热取暖会进一步加重该情况的恶化，所以能够实现对温度的调节控制的取暖器产品具有其现实意义，它具有以下几个方面的优点：
（１） 全新的体验——触摸式按键
这是本产品最大的亮点，取代了以往的按钮设置，防止了按钮由于塌陷、破裂等带来的不便，该触摸式按键无需按到一定的力度使两电极融合，只需表面电容感应到是否有手指的接触，从而延长了按键的生命周期。
（２） 更加安全节能的保护闪
防倾倒设置和儿童锁为该产品提供了一层安全保障。采用重力感应技术设计了防倾倒装置，取暖器在不经意间或其他不可知情况下倾倒时，该产品会自动断开电源，防止意外发生也节约了能源。儿童锁是为了防止不知情人员随意调控按键，造成不必要的麻烦，一但锁定后，其他操作无效，除非解锁。
（３） 温度的随心所欲
这个技术和空调、冰箱等温度的设置有几乎相同的道理。首先设置一个自己预期的温度，由温度传感器收集外界温度信息，当外界温度低于此设置温度，取暖器开始供热，直到达到该预设温度，然后停止加热。
（４） 时间的任意掌握
这包含了定时开关机，在24小时内可以设定任意时间进行开关机，照顾了用户的体验。同时该取暖器还配备了实时时钟，可以知道当时的具体时间。
（５） 分时段工作
本产品可以按时间段进行工作。在24小时内可以按外界的温度设定出自己所预期的温度，然后取暖器进行自动调节，免除用户每次使用时进行设置的烦恼。
综上所述，本课题的主要内容是：
l 第二章会对触摸式取暖器的设计方案进行深入的分析，以实现满足要求的可行性方案。
l 第三章对触摸式取暖器的各组成部分进行概述，梳理清其组成框架及其各部分的主要原理，以及对硬件电路进行设计，包括控制电路及电源电路等各个方面的设计。。
l 第五章对软件方面的设计，利用相关编译环境实现触摸程序，包括温度的调节与校正、时间的调节与校正、温度的采集等。
l 第六章对所设计的产品进行安装配置与调试、进行仿真、检查其存在的不足并修正。
1.4 本章小结
本章主要从当今取暖器市场现状与课题设计现状展开了分析，揭示了传统取暖器存在的缺点，进而提出了该设计的思想，从而付诸产品的实现，其特点决定了其优势也是意料之中的。之后也规划了一下本文后期的内容。
第2章 设计方案
2.1 设计概述
本产品设计属于单片机应用的开发。进行该产品设计最关键、最重要的一步是单片机控制总体方案的选择与确定。它的好坏，直接决定了整个取暖器的性能及用户体验感受。主要是根据用户的需求、硬件的性能以及技术等方面而确定总体方案的设计。产品设计方法大致如下：根据预期的要求，首先确定出采用何种单片机已使其有更好的性能、更易于开发且效益最优；再者是根据所选的主控芯片，搭配相应的元件，使之能够配套操作；电路的设计也是决定一个电子产品好坏的依据，软件是实现一切操作的前提，我们将会在接下来的两章详细分析。除此之外我们在确定总体方案之前，还得考虑其可行性与现实意义。
此产品为一家用电器，满足用户的需求是其根本的目的。对于如何才可以达到预期的效果，这就对我们的设计方案提出了一系列相关的问题。温控系统是我们在此着重研究的，所谓的温控就是其可以而不需要人为的操作自动感受外界温度的变化而做出相应的控制。用户能够根据自身需求对预期温度进行设置，当温度传感器采集到的室外温度未达到预设的温度值时，通过单片机的控制使加热部件工作，从而达到预期温度并稳定在这个值附近；若室外温度已经达到了预先设置好的温度，则通过单片机控制使加热部件停止工作。
实现触摸按键的技术是通过单片机检测相应的变化来感知触摸，电阻的变化通过传感器件感知，经过触摸其表面时，它的电阻值发生相应的变化。触摸表面也有要求，通过PCB实现，触摸面要有良好的尺寸和形状。当用户接触到触摸面时，电平信号发生改变，根据该信号，可获得一个直流电压，此电压随着电容的改变而变化，通过检测此电压就可产生触摸/不触摸的信号。
2.2 方案比较
方案一：选用C8051F系列芯片为内核，外围电路包括外部晶振、电容式传感器、LED液晶显示模块、触摸按键、红外器件、蜂鸣器、温度传感器。优点：外围电路无需A/D转换模块，方便了硬件的设计，缺点：C8051F系列微控制芯片内部A/D比较少，价格较高，造成成品的增加。【2】
方案二：选用STM32F10X系列芯片为内核，外围电路包含电容式传感器、A/D转换模块、触摸按键、LED显示模块、红外器件、蜂鸣器。优点：STM32F10X系列芯片内置温度传感器，有着很好的实时功能、优异的功耗控制，易于开发。缺点：硬件设施要求较高，外围电路设计过于复杂，成本偏高。
方案三：选用STM8S105K4单片机作为内核，外围电路包括触摸按键、A/D转换模块、IrDA红外器件、LED液晶模块、温度传感器、蜂鸣器。优点：STM8S105K4芯片抗干扰能力强、内置高精度RC振荡器以及电可擦除可编程只读存储器、开发方便、系统成本较低，性价比较高。

图2-1 外围电路框架图
综合来看，从硬件电路设计、软件编程、功耗、性价比、开发周期等方面来看，方案三达到最优，故在此产品中我们采用方案三进行研发设计。
2.3 设计要求
本产品设计的核心是STM8S105K4单片机的应用的开发，在此之前我们学习了该单片机的相关知识，其在ST Visual Develop和Cosmic CxSTM8环境下进行编写和仿真调试。故涉及到量大方面的内容：一，硬件电路的设计；二，软件的编程实现。我们在后面两章会详细介绍到。
本设计中的工作主要有如下五个方面：
l 传感器对温度的采集和测量
l 分时间段的对温度控制
l 温度控制电路板的设计
l 触摸按键的程序处理
l 红外遥控电路的设计
在实际的应用中，我们需要产品达到手动模式（即触摸模式）和遥控模式两种模式的自由切换，它内容具体如下：
1.手动模式：这就是所谓的触摸模式，当用户亲自操作时，当人体触摸到接触键盘表面时，控制芯片检测到有效触摸信号传给单片机，控制芯片在接收到该触摸信号之后，执行相应的功能操作，并做出相应的反应表示确认。
2.遥控模式：该模式即使用遥控器进行相应的操作，给用户带来了便利。遥控器发出的红外线信号，被红外线接收头接收到，经检测后，送至单片机处理，单片机收到相应的遥控信号后，执行相应的功能操作，并做出相应的回应表示确认。
3.预置温度后，温度传感器通过检测到周围环境温度，温度信号经感应后送单片机进行A/D转换。一方面，温度值送至显示电路显示，另一方面，根据按键的操作以及预期温度的设定，通过控制继电器控制加热体的开启与关闭，并能保持在温度范围之内，以达到预设的目标温度。
2.4 本章小结
本章为一过渡章节，为引出接下来的硬件、软件的设计。首先主要将几种方案进行了简要的分析，确定出了其该选用的核心芯片及外围设备，在各个角度的考虑前提下，我们最终确定了实现较为简便、经济效益最优的方案。最后，我们对方案的配置也作了具体介绍。
第3章 各组成部分概述及硬件设计
3.1 STM8S系列单片机
3.1.1 STM8S系列单片机概述
STM8S系列产品（表3-1）是意法半导体于2009年推出的针对工业生产和电子电器研发的微型控制芯片。
表3-1　STM8S系列产品型号
系列
型号

STM8S105xx
STM8S105K4, STM8S105K6,
STM8S105S4, STM8S105S6,
STM8S105C4, STM8S105C6
STM8S系列产品创造了8位微控制器的崭新时代，它的CPU性能可以达到20 MIPS、电压范围在2.95至5.5V 之间，提供了当前的8位单片机控制系统向更低的电压值转变。130nm非易失性存储器嵌入到最新产品中，它是现有8位微控制芯片的存储技术比较先进的，并且可达到30万次擦写极限的EEPROM数据写入操作。它包括10位数字/模拟转换器的功能，可达16条通道，使数模转换时间小于3微秒；配置可用于捕获/对比、马达控制和PWM功效的先进的16位控制定时器。其余外设还包含CAN2.0B接口、SPI端口、一个I2C端口、两个通信接口。
STM8S系列微型控制芯片与STM32系列32位的微型控制芯片的外设定义相同。这种外设定义的相同帮助了不同产品之间进行相互兼容，使产品的设计更灵活变通。它使用的代码也能够移植到STM32研发平台上，使之获得更高的操作性能。除此之外，使用STM8S装配和包装也完全兼容的引脚，提供给开发者更多的自由发挥空间，优化了引脚数量以及周边绩效。另外，平台化设计决策也与引脚的兼容有很大的关联，它能够节省上市时间，并优化产品的升级进程。
3.1.2 STM8S主要特点:
（１）速度达20 MIPS的高性能内核
（２）抗干扰能力强，品质安全可靠
（３）130纳米的制造工艺，性价比优异
（４）4K~128K的程序空间范围, 芯片引脚20脚~80脚
（５）系统成本低，内置高精度RC振荡器和电可擦可编程只读存储器
（６）开发容易，拥有本地化工具支持
此外，STM8S系列产品包括“STM8S20x增强型产品”和“STM8S10x入门型产品”，如表3-2所示：
表3-2 STM8S产品入门级与增强型对照表
相同点
不同点
4~128k字节Flash
STM8S20x增强型产品线：
STM8核心：24MHz
多达64字节SRAM
多达2K字节内置EEPROM
CAN2.0B
第二个UART
UART（LIN/7816/IrDA）
400KHZ多主I2C接口
多达32个16位定时器
8位基本定时器
10MHZ的 SPI
独立型和窗口型2个看门狗
1/2/4kHz的蜂鸣器接口
STM8S10x入门型产品：
STM8核心：16MHz
多达2K字节SRAM
内置EEPROM多达1K字节
自动唤醒单元
16kHz或128kHz内部RC振荡器
10位的ADC高达16位通道
SWIM单线调试模块

由上表我们可以清晰的看出STM8S系列的基本型（入门级）产品和增强型产品的相同点与区别，我们用户可以根据自身需求选择合适的产品进行开发利用。
3.1.3 STM8S主要应用:
l 汽车电子系统的安全传感器，执行器，微控制器，自动导航系统，车辆控制，汽车收音机
l 电机控制，空调，感应，测量仪器，不间断电源等工业应用
l 家电，家庭自动化，加热/通风空调，电视机等家用设备
l 电动玩具、通信设备、自动贩卖机、监视设备等消费电子
l 血压测量仪、血糖测量仪、自动监控仪器、紧急求助装置等医疗设备。
3.1.4 STM8S开发套件
ST 单片机套件是ST公司为STM8系列微型控制芯片和STM32微型控制芯片的初学者而设计的，适合于各种不同学习、开发的需求，用户能够全方面地感受到STM8S和STM32各自的优缺点，在使用或学习中能很好地在8位系统和32位系统之间进行切换，满足学习者由低端到中高端的使用和开发学习需求。这个开发套件是三合一的套件，它包括STM8S105S6T6体验板、STM32F103C8T6体验板以及一个ST-LINK调试器，它是一个可在线升级的固件。每个组成部分在该三合一套件中的都能够拿来单独利用，特别是ST-LINK调试器可以供使用者拿来调试自己的板子，从而给用户带来很大的活动空间。
在此我们着重介绍一下ST-LINK仿真器（图3-1），它是此仿真学习过程中必不可少的一个套件，有以下几个特点：
●所有的JTAG仿真接口的STMF3210xxx系列微控制芯片和所有的SWIM仿真接口的STM8S系列微控制芯片都被支持
●配备USB 2.0全速接口，直接通过USB接口供电
●在相关环境配合下可供STMF3210xxx系列微控制器的开发调试
●STM8S系列微控制器的开发调试配合了STVD集成环境
●STM8S微控制芯片和STMF3210xxx的编程配合了STVP编程软件来实现
●可通过相应的引脚向STM32目标板提供3.3V的电源且不超过100mA
●可支持固件的在线升级以此支持未来的产品的开发应用

图3-1 ST-LINK仿真套件
此外，其也有其独特的开发环境，在此我们不作详述，第四章的软件设计章节，我们会对其开发环境及如何编码作详细的介绍。
3.1.5 STM8S105K4MCU

图3-2 STM8S105K4芯片引脚图
由芯片图及其特性分析可知，该设计中利用到STM8S105K4芯片作为核心，它具备32位引脚、25个GPIO数目、23个外部中断引脚、8个定时器输出比较/输入捕获通道、3个定时器互补输出、7个数字/模拟转换通道、12个高吸收电流I/O口、16K字节的中密度闪存程序存储器、1024字节的电可擦可编程只读存储器（EEPROM）、RAM为2048字节，其外设有TIM1高级控制定时器、TIM2与TIM3通用定时器、TIM4基本定时器、两线式串行总线与串行外设接口、异步收发传输器、数模转换器以及看门狗组成。

图3-3 STM8S105xx模块框图
由于其内置的RC振荡器具有高精度，故其外围电路的设计无需振荡电路的复位，下面我们对预期要求的功能（触摸控制、红外遥控、实时时钟、感应温度、蜂鸣器提示等方面）以及电源电路的设计作详细的说明。
3.2 触摸按键的设计
3.2.1 RC触摸感应简述
伴随着科技的发展，，电容式触摸感应控制在需要用户接口的实际应用中逐渐替代了传统的按键或机电开关。顺应当今市场的需求，意法半导体公司已经开发了一个触摸感应软件应用库，使得任意一款8位的STM8系列微控制芯片都可以成为一个电容式触摸按键的核心芯片所使用。
该公司开发的触摸感应软件库通过对由触摸电极电容和一个电阻组成的RC网络充/放电时间的控制，可以检测到人手的触摸。根据电极电容的改变，带来了RC网络充/放电时间的变化，从而检测出来该时间的变化，然后经过滤波等步骤，最后经过特定的I/O端口，或者同步串行外设接口等发送给主机系统。
每个通道只需要一个电阻可实现触摸检测功能，因此，需要软件库组件BOM表，其成本价格较低，经济效益良好。
接下来我们详细介绍一下该设计中利用的触摸感应软件库中的RC感应原理及触摸按键的设计。
3.2.2 RC感应原理
RC感应原理就是通过检测人体触摸到的电极电容的细微改变，从而感应到对电容式触摸感应器件的触摸，实质就是通过监控由一个电阻和电极电容构成RC网络的充电/放电时间周期来检测人手的触摸。任意一个因为电极电容的改变而引起的RC时间的改变被检测出来后经过滤波最终通过专门的I/O接口或SPI/I2C接口传送给主机系统。该原理使用了最小量化的元器件，只需在每一个触摸通道上连接一个电阻就能够实现该功能。
Cu-Pb电极发出的电场穿过主要由玻璃或者塑料构成的电介质接触面板，当一个手指触摸到面板上时由于人体和周边环境的耦合会增加电极的电容值少量几个pF，增加的电容值就会通过触摸感应库而被检测出来。一个固定的电阻R对电极电容C进行周期性地充/放电。电容的取值又以下几个参数决定：
1. 电极面积(A)；
2. 绝缘体相对介电常数(εR)
3. 空气的相对湿度(ε0)
4. 以及两个电极之间的距离(d)
由下列公式可得出电容值：

图3-4 RC网络上的压降
在VIN上加以固定的电压值，VOUT上的电压值就会随着C值的变化而发生相应变化，如下图变化曲线所示：

图3-5 电压随测量充电时间变化图
通过对VOUT的电压达到最大值VTH时所需要充电时间tC的计算，就可以得到相应的C值。
在触摸感应的设计中，有两部分组成电容值C，它们包括：固定电容，即电极电容CX以及人手或身体接触或者靠近电极时，它们带来的感应电容CT。为了确保能够检测到人手触摸信号，应当保证电极电容足够的小和精确。平时人手触摸与否，带来的电极电容变化也就是在5pF左右的范围内波动。利用这一原理，我们就可以检测到电极是否有手指的触摸。

图3-6人体触摸感应图
3.2.3 触摸感应的硬件设计
首先我们给出一个简单的实例来说明一下触摸感应的实现（图3-7）。由R1，R2和电容电极CX以及手指电容CT并联的5pF左右的电容构成的一个RC网络，经过对这个RC网络充/放电时长的检测，就可以测量到人体的触摸。
另外，全部的电极共同使用一个负载I/O引脚，电阻R1和R2应当尽可能的靠近微控制芯片而放置。作为主要电容的R1用于调控触摸测量的灵敏度，其阻值在几百欧~几兆欧之间。阻值为10KΩ的电阻R2可用来减少噪声对其影响，用户可以按照需要进行选择。

图3-7电容触摸感应实现举例
通过对以上的分析，我们也根据产品需求，按照触摸原理设计出了触摸式取暖器的按键，其原理图如下所示：

图3-8（a）取暖器触摸按键原理图

图3-8（b） 取暖器触摸按键原理图
如图所示，（a）图线路分别连接到STM8S105K4控制芯片对应的接口上。对不同的按键进行编写程序定义：TK1、TK2分别控制温度和时间的加减以及温度的微调；TK3实现时间校正/温度微调的切换；TK4为儿童锁按键，一但按下整机所有操作即被锁定，只有通过TK4+TK8进行解锁才能进行之后的操作；TK5为开关机按键；TK6定时自动开机，每多按一次定时时间增加半小时；TK7为手动/自动切换按键；TK8定时自动关机，每多按一次定时时间增加半小时，同时它还协调TK5实现解锁功能。
3.3 IrDA红外通讯模块的设计
3.3.1 IrDA简介
IrDA，即国际红外数据协会英文的简写，该协会自成立后不断拟定出了许多有关红外通讯的协议，有偏向低功耗方面的，有偏向传输速度方面的，也有两者统筹的。以红外线作为传播介质是红外数据传输的基本属性。红外线是一种人体肉眼看不见电磁波，它的波长一般在750nm~1mm之间。红外数据传输通常使用的是波长在0.75μm到25μm之间的红外波段内的近红外线。IrDA协会为了保证不同厂家生产的红外产品能相互兼容获得最优的通讯效益，它规定生产厂商所采用的红外波长需在850nm~900nm之间。
红外传输由于受到很多种条件的制约，所以它的传输距离在几厘米至几十米不等，发射的角度也有一定的限制，一般在0到15°之间。不同的红外器件或者不同的应用方案，其接收灵敏度和发射强度也会因此而产生不同。另外，红外通信在使用时只能以半双工的方式进行传输。
按照红外传输的基本模型（图3-9）可以划分出不同类型的IrDA设备。按照IrDA器件的传输速度的不同，能够把它们划分为FIR、SIR、VFIR三种类型。如TFDU6102属于FIR类型红外器件；Vishay的红外收发器以及TFDU4300属于SIR类型红外器件；而TFDU8108属于VFIR类型红外器件。按照IrDA器件使用功耗的不同，能够将它们划分为标准型红外器件和低功耗型红外器件。标准型器件，一般采用5V的直流电源，它的传输距离比较大，在30厘米到几十米不等。低功耗型器件，一般采用1.8V至3.6V的直流电源，它的传输距离比较小，大约在20cm之间。因此，一个IrDA红外器件的功能可以清楚的从上面所描述的三种方法中区分开来。

图3-9 红外传输的基本模型图
3.3.2 IrDA器件的构成与简介
1. 红外发送器件
红外发送器件一般都是由镓、砷等材料制成的具有红外发射功能的二极管，它的发射强度受其发射角度和能够通过的LED电流的影响，与通过的电流成正比、发射角度成反比；红外传输距离与发射强度的平方成正比，强度越大，发射距离也就越远。有一些生产厂家也会将红外驱动电路内置在红外发送器件中，如图3-10所示：

图3-10 内置驱动电路的红外发射器
2. 红外检测器件
红外光敏接收管是红外检测器件的主要组成部分，红外检测器件有内置放大器的（图3-11），有独立接收管装置的，也有包含调制解调器与集成放大器的。若红外检测器件内部包含放大器与解调器的通常还内置带通滤波器，这种器件通常应用于固定载波频率。红外检测器件的好坏衡量标准主要是其接收信号的灵敏度，它的传输距离与灵敏度成正比，灵敏度越高，产生的误码率也就会越低。

图3-11 内部集成放大器的红外检测器件
3. 红外收发器件
红外收发器件（图3-12）包含发射器与接收器。一般情况下，它的发射部分配置了驱动器，接收部分包含一个放大器，而且在内部还集成了关断控制逻辑。关断控制逻辑通过关断来控制信号的接收，避免了引入干扰信号；当不进行红外信号传输时，相关的引脚接收到命令传后给该控