利用CVD實現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)技術(shù)的研究

呂紅芳

(上海電機學(xué)院電氣學(xué)院，上海 200240)

0 前言

觸摸技術(shù)如今已經(jīng)成為信息技術(shù)發(fā)展的新趨勢，由于操控直觀、快捷，大大提升了人機互動的效率，被大量用于高端智能手機及平板電腦。觸摸控制技術(shù)又可分為觸摸屏(Touch Screen)技術(shù)和觸摸按鍵(Touch Key)技術(shù)。在觸摸按鍵技術(shù)方面，目前主要可分為電阻式觸摸按鍵與電容式感應(yīng)按鍵。［1］

電阻式的觸摸按鍵由多塊導(dǎo)電薄膜按照按鍵的位置印制而成，需要在設(shè)備表面貼一張觸摸薄膜［2］。電阻式觸摸按鍵雖然價格低廉，但其導(dǎo)電薄膜耐用性較低。因此，電容式觸摸按鍵便成了一種理想的替代方案。電容式觸摸按鍵的優(yōu)點在于它不易受到溫度、靜電、水、灰塵等外界因素影響，操作準確性高;靠人手感應(yīng)，整個界面沒有按鍵存在，可使產(chǎn)品更加美觀。此外，由于按鍵沒有接點，使用壽命更為長久。

本文主要介紹一種利用PIC12F615單片機實現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)的方法，這種方法不需要外圍元器件，可以依托內(nèi)部帶有ADC(Analog-to-Digital Converter)單元的PIC單片機，通過軟件處理，快速實現(xiàn)觸摸感應(yīng)。這種采用單片機的ADC實現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)的方式，又稱為CVD(Capacitive Voltage Divider)方式。

1 電容式感應(yīng)按鍵原理

電容感應(yīng)原理［3］是利用人體的感應(yīng)電容來檢測是否有手指存在，在沒有手指按下時，按鍵(連到芯片的管腳)上由于分布電容等的存在，因此按鍵對地存在一定的靜態(tài)電容，當人的手指按下或接近按鍵時，人體存在一定電容，人體的這個寄生電容將耦合到按鍵的靜態(tài)電容上，使按鍵的最終電容值變大，該變化的電容再輸入到單片機進行信號的轉(zhuǎn)換，將變化的電容量轉(zhuǎn)換成某種電信號的變化量，再由一定的算法來檢測和判斷這個變化量的程度，當這個變化量超過一定閾值時，就認為有手指按下。

2 CVD實現(xiàn)感應(yīng)的原理

CVD實現(xiàn)感應(yīng)的原理［4］是采用單片機 ADC的內(nèi)部采樣電容以及電路板上感應(yīng)點的寄生電容來產(chǎn)生電容電荷的分壓效應(yīng)，分壓的大小則視感應(yīng)點的電容量大小而定，使用單片機的ADC測量分壓，再由軟件進行處理。如圖1所示，首先把采樣電容的供電電源切換到VDD，對內(nèi)部采樣電容進行充電，然后切換到感應(yīng)電容端，這時采樣電容開始向感應(yīng)電容放電到一個平衡電位，ADC將此時采樣電容上的電壓值進行轉(zhuǎn)換處理。

圖1 CVD模塊框圖

因為人體的觸摸會使感應(yīng)電容的容量變大，這樣在取樣電容上測量到的電壓就會降低，所以必須預(yù)先設(shè)定一個有觸摸與無觸摸輸入時的閾值，當采樣到的電壓值低于閾值時，系統(tǒng)將認為有鍵按下，如圖2所示。

圖2 輸入采樣波形圖

3 利用CVD實現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件電路設(shè)計

在利用CVD實現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)技術(shù)時，單片機內(nèi)部ADC的分辨率決定了觸摸感應(yīng)系統(tǒng)的分辨率，所以在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用PIC12F615［5］中內(nèi)部集成的10bitADC，選取GP0的第二功能AN0作為模擬通道，用做感應(yīng)輸入端，GP4作為感應(yīng)輸出端，為了便于與外部系統(tǒng)連接，外部利用NPN三極管，設(shè)計為開漏輸出。選取內(nèi)部振蕩8MHz作為系統(tǒng)時鐘，外部觸摸焊盤為10mm*10mm，設(shè)定ADC采樣閾值為0x287，可實現(xiàn)3－5mm可靠觸摸感應(yīng)，并能在20μs內(nèi)做出響應(yīng)，硬件電路如圖3所示。

圖3 PIC12F615實現(xiàn)觸摸感應(yīng)的硬件電路圖

3.2 軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，利用PIC12F615實現(xiàn)CVD觸摸感應(yīng)時，采用MCU的GP0的第二功能作為模擬輸入，當外部有觸摸時，該引腳的對地電容將發(fā)生改變，并與內(nèi)部的采樣電容進行分壓，然后利用片內(nèi)的ADC進行采樣，與閾值進行比較，從而判斷是否有鍵按下，其具體實現(xiàn)過程如下:

(1)選擇系統(tǒng)時鐘為內(nèi)部8MHz，ADC轉(zhuǎn)換時鐘為Fosc/2。

(2)設(shè)置GP0為模擬輸入，GP2、GP3、GP4為數(shù)字輸出。

(3)置GP2為數(shù)字輸出，并置1，此時對采樣電容進行充電。

(4)將采樣電容電源切換到GP0。

(5)啟動ADC，讀取GP0引腳的電壓值。

(6)比較采樣值與閾值判斷是否有鍵按下。

其程序流程圖如圖4所示:

圖4 系統(tǒng)的程序流程圖

5 結(jié)束語

CVD方法為我們利用PIC單片機實現(xiàn)電容觸摸感應(yīng)提供了方便，與CTMU(充電時間測量單元)，CSM(容性傳感模塊方式)一樣，不需要任何外圍設(shè)備，可以快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，這種技術(shù)的關(guān)鍵是需要單片機的ADC模塊實現(xiàn)觸摸感應(yīng)功能。

采用CVD實現(xiàn)觸摸感應(yīng)，關(guān)鍵是硬件實現(xiàn)電路簡單，大大節(jié)約了硬件成本，可以方便的實現(xiàn)非接觸式感應(yīng)，且響應(yīng)時間更快(10μs～20μs)。利用MCU的內(nèi)部ADC進行軟件處理，抗干擾能力比較強。該技術(shù)方案已正常通過電磁兼容測試并在實際中得到了應(yīng)用。

［1］ 方獻良.基于A/D的電容觸摸按鍵電路設(shè)計［J］.寧波大學(xué)學(xué)報，2010，23(3):123－125.

［2］ 趙艷秋，馮健.觸摸控制處于起步階段 MCU企業(yè)嘗試多種新方案［N］.中國電子報，2008－11－04(8).

［3］ 張焱焱.基于電容感應(yīng)原理的手機按鍵設(shè)計［J］.機械研究與應(yīng)用，2007，20(4):55－56.

［4］ Thomas Perme，Dieter Peter.Capacitive Touch Using Only an ADC(CVD)［EB/OL］ .2009.http://www.datasheetarchive.com/datasheet－pdf/075/DSAE004486.html.

［5］ PIC12F615 data sheet［EB/OL］.2010.http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en027148