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mTouchTM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MicrochipmTouchTM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mTouchTM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上图所示，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。
2．实现原理
如上图所示，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，震荡波形如下图所示。
按键与地之间存在的感应电容CS与电阻R构成RC电路。如上图所示，当比较器Cl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Timerl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Timerl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。
由于构成电容感应触摸按键的硬件资源均在单片机内部，外界对其影响相对较少，故稳定性与可靠性均得到提高，但是只有特定型号的PIC单片机才可以采用此方法实现，其基本要求是单片机内含2个比较器且反相端有多个可选的I/O口，同时具有2个定时器进行检测。满足此条件的PIC单片机如表1所示。由于PIC单片机的比较反相端的I/O口最多有4个可选端口，故当按键数超过4个时则须采用对键实现。
采用mTouchrM方案实现的6个按键的电路原理图如上图所示。
①单按键检测原理：
检测按键MButtonl时，通过软件只检测MB1口；检测按键MButton2时，通过软件同时检测MB1与MB2口：检测按键MButton3时，通过软件只检测MB2口：检测按键MButton4时，通过软件同时检测MB1与MB3口：检测按键MButton5时，通过软件只检测MB3口：检测按键MButton6时，通过软件只检测MB4口。
②多按键检测原理：
由于MB4口只与按键MButton6连接，则MButton6按键可与其它按键中的任何一个键组成复键，即MButton6可作为专用的Shift键使用。
③对键的实现原理：
对键的效果图如上图所示，由两块叉指状覆铜分别连到另外两个单按键构成，但同时也将引入单键间的串扰。为减小单按键之间的串扰可在叉指间布一隔离带，同时也降低了对键的灵敏度。所以，在应用对键须根据实际需要，在软、硬件上增加抗干扰措施，提高系统可靠性。
3．软件设计流程
软件设计流程如上图所示，利用PIC单片机现有的内部资源，实现高可靠性触摸感应按键的算法。在数值处理方面，采用平均采样、均值变化率及动态检测更新等算法提高系统的可靠性与抗干扰性。软件源代码可关注Microchip网站与Burnon公司网站上相关的信息。
4．Demo板简介
该DEMO板采用Microchip的mTouchTM方案，实现了单键和对键共6个按键的功能。DEMOPCB板如上图所示，采用多种灵活的供电方式，方便演示，可直接接入DC9V电源或输入5V电压供电，也可采用电池供电。DEMO板上覆盖一层Imm左右厚的有机玻璃隔离。一个按键对应一个LED灯，当按下BUTTON1时LED1亮，LED7作为按键的高灵敏度显示，当有手指接近按键面板时LED7点亮，BUTTON6可与BUT-TON3-5组合成复合键使用。
DEMO板的功能扩展包括：JP1用来扩展用户自定义的按键面板；JP2、JP3用来扩展表1中的其它型号单片机。
5．结语
本文介绍了电容感应触摸按键的基本原理，及mTouchTM技术的触摸感应按键方案。利用PIC单片机现有的内部资源加上有效的抗干扰算法，实现了低成本、高可靠性的触摸感应按键，为生产商提供了更多的选择。
