贝能科技专题之PIC微控制器系列(六)
2008-06-15
低成本电容感应触摸按键方案
贝能科技 郑少华
由于触摸按键不涉及机械运动，且有助于实现全封闭和富于现代感的设计，触摸感应技术正得到迅速普及。与传统按钮式用户界面相比，触摸感应按键在美观性、维护保养、成本及清洁性方面均具有极大的优势，也正逐渐替代按钮式用户界面。除消费市场，触摸感应技术更渗透到医疗、工业及汽车应用领域。
全球领先的单片机和模拟半导体供应商Microchip公司推出全新mTouch™解决方案，使工程师在采用PIC单片机的应用中可方便地添加触摸感应用户界面。相关工具包可从Microchip的网站上免费下载“触摸感应设计中心”，设计人员可获取完整的源代码，按需定制的算法即可轻松将其集成至相关的主要应用中。本文主要根据Microchip mTouch™方案讲述如何利用PIC单片机实现低成本电容感应触摸按键及其软硬件设计原理，最后对mTouch™方案的Demo板进行简单的介绍。
1. 基本概述
电容感应触摸按键的原理是利用操作者的手指对电极或电容上的电荷/电平产生影响，感测电极或电容可以放置到任何绝缘层（通常为玻璃或塑料材料）的后面，且易与周围环境制成相密封的键盘。
在设计触摸感应按键时，首先需要检测触摸按键上电荷或电平容量以及一些相关的转换关系，即必须进行系统的校 准；其次电荷/电平的改变将受外界环境的影响，静电放电和电磁干扰均会引发误动作，且环境变化如温度的改变将影响到系统的校准，同时其它污染物在表面的堆积都会影响其精确性和可重复操作性。因此抗干扰性与可靠性是触摸感应按键设计的关键。
电容式触摸感应原理如图1所示，电路板上相邻的覆铜间存在一个固有的寄生电容Cp，当手指（或其他导体）靠近时，手指和两块覆铜之间会产生新的电容，这些电容相当于并联到Cp之上，然后通过一定的关系转换即可检测是否有手指按下。设计时将连接到单片机I/O口的一块覆铜作为电容传感器，通过相关外围电路和软件实现对触摸感应的检测。
图1 电容式触摸感应原理
2. 实现原理 如图2所示，利用PIC单片机内部的两个比较器和一个RS门构成一个震荡电路，震荡波形如图3所示。
按键与地之间存在的感应电容CS与电阻R构成RC电路。如图3所示，当比较器C1的反向端电压升高到2/3VDD时，RS被触发翻转；当电压下降到低于比较器C2正相输入端电压时RS再次被触发，这样即产生频率相对固定的震荡，然后通过Timer1进行计数，将频率转换为相应的数值。当有手指按下时电容CS变大，RC充放电的时基变长，震荡周期变长，频率变小，则Timer1在相同时间内的计数值减小，即检测出有手指按下；最后再通过软件的抗干扰和误差处理，即实现了灵敏度和可靠性较高的低成本电容感应触摸按键。
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