基于K60单片机的红外多点触摸屏硬件设计

杜浩宇 徐婷婷 冯 涛 杨士辉

（1.长春理工大学 王大珩科学技术学院，吉林 长春130022；2.长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春130022）

0 引言

红外触摸屏是在触摸屏的四周布满红外接收管和红外发射管，这些红外管在触摸屏的表面排列呈一一对应的位置关系，形成一张由红外线布成的光网，当有物体(可以是手指,带手套的手或任何触摸物体)进入红外光网阻挡住某处的红外线发射接收时，此点的横竖两个方向的接收红外管接收到的红外线的强弱就会发生变化，设备通过了解红外线的接收情况的变化就能知道何处进行了触摸。

1 硬件系统设计

系统的核心以飞思卡尔公司的K60 芯片为主控制器，它首先控制移位寄存器74HC164 和译码器74HC138 来完成接收管和发射管的矩阵扫描。然后控制信号处理模块，不断循环采集接收管的电压幅度值。当有触摸物进入触摸区域时，由于对光线的遮挡，对应的接收管采集到的电压值必然发生变化， 此时通过与之前的值进行比较和运算，就可计算出触摸点的坐标。 最后再将得到的坐标数据通过USB 发送给PC 机，最终实现触摸定位功能。

2 单片机选择

硬件系统以Kinetis 60 微控制器为核心， 具有处理速度快， 功耗低，成本低等优点，其片内128KB 的RAM，512KB 的FLASH，高达16位精度A/D 采样模块和多通道的DMA 模块完全满足了系统开发的需要。 同时K60 包含DSP 内核，通过库函数调用，方便进行数学运算以及数字信号处理，可以减轻硬件负担，加快信号处理速度，减小响应时间。

3 红外发送与接收电路设计

3.1 红外发射及扫描电路

红外发射及扫描电路如图1 所示。 工作原理是通过74HC164 和74HC138 构成n*n（实验以8*8 做测试）扫描电路。74HC164 为移位寄存器，它每次只使一个输出脚为高电平，74HC138 为38 译码器，它每次只使一个输出脚为低电平。 图中Cn，Cn+1 为74HC164 输出脚，COUTn、COUTn+1 为74HC138 输出脚。 当Cn 输入低脉冲、COUTn 为低电平时，红外发射管点亮。 改变Cn 和COUTn，即可使不同发射管点亮，扩展此电路即可实现n*n 扫描。

图1 红外发射及扫描电路

3.2 接收及放大电路

接收及放大电路如图2 所示。电路利用了三极管的开关特性来实现接收管部分的矩阵扫描。取样电阻R109 接在光敏三极管的集电极，当接收管接收到相应波长的红外光时， 会产生一定大小的光电流，R109 将电流信号转换成电压信号，Qn 接入74LS151 数据选择器输入端，将电压信号输出。 电路中的Cn 与发射电路是相接的，这样就能保证发射管和对应的接收管同时工作。

74LS151 为互补输出的8 选1 数据选择器，它配合74HC164 也能实现n*n 路矩阵扫描输出，其输出引脚为Y 脚，该引脚接到下一级的放大器进行放大处理。

图2 红外接收基本电路

红外接收管被有效光照射后产生毫伏级别的电压信号，需要对信号进行放大才能满足模数转换器AD 的信号采集范围。 我们选择低噪声、低失真的放大器AD8330 对模拟光电信号进行放大，在高增益下通过高速转换，使其适合于作为模数转换系统的前置放大，并且频带宽度折中较小，设计中可以灵活的使用整个动态范围，而不会影响带宽或者产生失真。

4 串口通信

本红外触摸屏采用串口通信方式，把计算出的坐标信息发送给主控设备。 设计中，采用RS-232 通信协议，应用MAX3232 芯片吧单片机的TTL 电平转换为RS-232 电平。 应用串口通信，通信协议简单，硬件实现方便。

5 电源电路

由于主控芯片需要3.3V 的电压， 因此需要对电源电压进行降压处理。 本系统采用LM1117-3.3V 进行稳压处理，LM1117-3.3V 是一个正向低压降稳压器， 其输出固定电压为3.3V， 允许最大工作电流为800MA，而且芯片内还集成了过热保护和限流电路，因此能保证正常、稳定的给整个系统供电。最后，稳压芯片的滤波电容要靠近引脚，数字地和模拟地要分开。

6 总结

系统扫描方面占用的时间最多，约为总体时间的90%，因此本文重点放在减少扫描时间上。系统调试过程中发现对元器件精确度要求比较高，特别是运算放大器抗噪声能力和抗漂移能力要求很高。 接收光信号产生的微弱电流非常小，转化的电压值也很小，如果精确度和抗噪声能力不够的话，有用信号会被噪声所湮没，所以本文又增加了滤波电容，减少环境光对系统的干扰。

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