应广单片机PFS173电容触摸耳机控制面板：原理、硬件与低功耗设计 | 逐高电子

几分钱单片机也能做触控：PFS173耳机触摸面板开发实战

本案例使用应广（Padauk）PFS173单片机的普通数字IO测量RC放电时间，在不使用专用触摸芯片的情况下实现耳机电容触摸控制，并通过高阻输入与低电平输出模拟蓝牙音频板上的机械按键。

文章目录

• 项目概述
• 电容触摸检测原理
• 蓝牙按键模拟接口
• 硬件组成与连接
• 启动校准与触摸判断
• 程序流程
• STOPEXE低功耗设计
• PCB布局和防误触
• 复现步骤

一、项目概述

原项目将传统有线耳机改造成蓝牙耳机，并在耳罩外侧增加触摸控制面板。蓝牙和音频由VHM-314一类蓝牙音频板负责，PFS173只负责检测手指触摸，然后向蓝牙板输出与机械按键相同的接地信号。

可实现的具体功能取决于蓝牙音频板提供的按键输入，通常包括：

• 播放或暂停音乐；
• 上一曲和下一曲；
• 增加或降低音量；
• 接听、挂断或其他组合按键功能。

二、PFS173电容触摸检测原理

每个触摸通道由一个PFS173数字IO、一个PCB铜箔触摸区和一个约1MΩ下拉电阻组成。原作者最初预留了外部电容，随后发现PFS173引脚、PCB铜箔和走线本身的寄生电容已经足够，因此最终方案可以不安装额外电容。

单次触摸测量过程

1. 将触摸IO配置成输出高电平，为触摸铜箔和寄生电容充电。
2. 等待固定时间，使触摸点电压稳定。
3. 迅速将IO切换为高阻输入。
4. 触摸点通过1MΩ电阻向GND放电。
5. PFS173统计该IO从高电平下降为低电平所需的时间。

无人触摸时，触摸点等效电容较小，放电速度较快；手指触摸或靠近铜箔后，等效电容增大，放电时间随之延长。程序只需比较当前放电时间与无触摸基准值，即可判断是否发生触摸。

PFS173触摸IO ───── PCB铜箔触摸区
       │
       └──── 1MΩ ──── GND

三、蓝牙按键模拟接口

蓝牙音频板上的机械按键通常为常开结构，按下时把控制节点连接到GND。PFS173因此不能在未操作状态主动输出高电平，而应采用“高阻输入＋输出低电平”的方式模拟开漏输出。

PFS173控制IO ───── 蓝牙板按键控制点
PFS173 GND    ───── 蓝牙板GND

正常状态：控制IO为高阻输入
按键状态：控制IO输出低电平约80至120毫秒

PA5引脚注意事项

原作者调试时发现，PFS173的PA5用作输出时需要外接上拉电阻。增加10kΩ上拉后，该路输出恢复正常。新PCB可以避开PA5作为按键输出，或者在PA5与VDD之间预留10kΩ上拉电阻。

四、硬件组成与连接建议

原项目将PFS173安装在PCB背面，使触摸面保持平整。正面只保留较大的触摸铜箔，控制板再通过细线连接另一侧的蓝牙音频板。

五、启动校准与触摸判断

固定阈值容易受到元件误差、电池电压、装配结构和温湿度变化影响。原项目后续加入启动校准：每个通道连续测量8次放电时间，再取平均值作为无触摸基准。

1. 开机后等待电源和IO状态稳定。
2. 依次为每个触摸点充电并测量放电时间。
3. 每个通道重复测量8次。
4. 去除明显异常值或直接计算8次平均值。
5. 把平均结果保存为该通道的基准值。

推荐触摸判定

触摸成立 = 当前放电时间 > 基准时间 + 通道阈值

或者：

触摸成立 = 当前放电时间 > 基准时间 × 灵敏度系数

原文章没有公布最终阈值，因此实际数值需要通过目标PCB测量确定。可以从连续确认2至3次、释放确认2至4次、输出低电平80至120毫秒和重复触发锁定300至500毫秒开始调试。

六、PFS173程序流程

原作者使用应广官方IDE和Mini-C。下面是依据原项目工作原理整理的程序结构，用于说明算法关系，并非对原始源码逐字复制。

初始化时钟、定时器和IO
所有蓝牙控制输出设置为高阻输入
延时等待电源稳定

for 每个触摸通道:
    baseline[channel] = 连续8次放电时间的平均值

while (1):
    for 每个触摸通道:
        value = 测量放电时间(channel)

        if value > baseline[channel] + threshold[channel]:
            增加触摸确认计数
        else:
            清除触摸确认计数

        if 连续达到触摸确认条件:
            对应蓝牙控制IO输出低电平
            延时约100毫秒
            对应IO恢复高阻输入
            等待手指释放并锁定短时间

    执行STOPEXE
    定时唤醒后继续扫描

单通道测量函数

measure_touch(channel)
{
    将触摸IO设置为输出高电平;
    固定时间充电;

    清零计数器;
    将触摸IO切换为高阻输入;

    while (触摸IO仍为高电平 && 计数器未超时)
        计数器++;

    return 计数器;
}

每次测量都应设置最大计数值，防止触摸IO因短路、焊接问题或外部干扰一直保持高电平而卡死程序。

七、STOPEXE低功耗设计

电容触摸需要反复为触摸点充放电，持续高速扫描会明显增加功耗。原作者在扫描间隙停止主时钟，通过PFS173的STOPEXE进入低功耗状态。

作者采用约1:10的活动与休眠比例，使触摸控制器平均功耗显著下降。尝试进一步降低工作时钟虽然可能减少电流，但会改变RC计时结果，导致触摸灵敏度下降或阈值失效。

原耳机使用约500mAh电池，整机续航约2至3天。主要耗电来自蓝牙连接、音频处理和扬声器功放，PFS173触摸控制器并不是决定整机续航的主要负载。

八、PCB布局与防误触设计

触摸铜箔布局

• 单个触摸区可以从10至20mm尺寸开始试验。
• 触摸铜箔之间保留足够距离，减少相邻通道串扰。
• 触摸走线应尽量短，避免靠近开关电源、音频功放和蓝牙天线。
• 触摸铜箔正下方不要大面积铺地，否则会降低对手指的灵敏度。
• 蓝牙天线区域不要布置触摸铜箔、MCU、电池或大面积铜层。
• PFS173电源脚附近放置100nF去耦电容。
• 预留编程焊盘和串联电流测量位置，方便调试功耗。

软件防误触

• 连续检测到2至3次触摸后才确认操作。
• 确认手指释放后才能接受下一次按键。
• 单次持续触摸只触发一次，避免连续切歌或连续调音量。
• 触摸期间禁止更新基准值。
• 从休眠状态唤醒后丢弃第一次测量结果。
• 多个通道同时异常增大时，可判定为手掌覆盖或环境干扰。
• 电池电压变化较大或长时间无操作时，可执行一次重新校准。

若需要缓慢跟踪环境变化，可以在确认无人触摸时使用低速基准更新：

新基准 = 旧基准 + (当前值 - 旧基准) / 32

九、项目复现步骤

1. 使用万用表找出蓝牙音频板各按键的公共GND与控制节点。
2. 手动将控制节点短接到GND，验证播放、切歌和音量功能。
3. 先制作单通道触摸实验板，记录触摸前后的放电计数。
4. 根据实测差值设置初始阈值、防抖次数和测量超时。
5. 使用PFS173高阻输入与输出低电平方式模拟一个蓝牙按键。
6. 确认单路稳定后，再扩展为多路触摸控制。
7. 加入每通道8次平均的开机校准。
8. 加入STOPEXE和定时唤醒，测量活动与睡眠电流。
9. 制作耳罩外形PCB，并将PFS173安装在触摸板背面。
10. 完成整机装配后重新调校阈值，测试走动、头发、汗液和长按等场景。

十、节电

由于耳机使用的电池容量相对较小,约为500mAh,因此在触摸板通过充电和放电功能工作时,也需要节约用电量。无需任何功率优化,当前抽签为654uA。

然而,如果我们停止主时钟的执行,实际上会暂停设备,就能实现2.5u的功耗。
STOPEXE 就是停止执行

从技术上讲,通过将计时器切换到低频时钟也有可能降低,但我发现这存在问题,因为触摸灵敏度会受到影响。一项简单的测试表明,帕达乌克数据表与现实世界的测量值相匹配。

十一、案例总结

PFS173电容触摸耳机控制面板的价值，在于使用极少的硬件完成触摸检测、按键模拟和电池供电优化。复现时最关键的三个细节是：每路约1MΩ放电电阻、启动时进行8次平均校准，以及蓝牙控制输出只能在低电平和高阻两种状态之间切换。

如果需要进一步提高抗干扰能力，可以在现有方案上增加动态基准、湿手识别、多通道互斥、ESD保护和电池电压补偿；如果产品要求更高一致性，则可以改用应广带专用Touch通道的型号或独立电容触摸芯片。 校准将微控制器上的每个引脚固定在高位,以长时间(相对)稳定读数,并快速将引脚设置为输入。这使得外部连接的电容器能够放电,我们将等待引脚检测到低信号。平均超过8次,以获得准确的基准,并像魅力一样发挥作用。在设置完此基条代码后,每次触摸都能准确完成