电容式触摸按键设计与实现(软件部分)

学校代码： 11059 学 号： 0805070076 Hefei University毕 业 论 文 （ 设 计 ）BACHELOR DISSERTATION论文题目： 电 容 式 触 摸 按 键 的 设 计 与 实 现 （ 软 件 部 分 ） 学位类别： 工 学 学 士 学科专业： 自 动 化 作者姓名： 贾 克 慎 导师姓名： 储 忠 完成时间： 2012-5-24 电 容 式 触 摸 按 键 的 设 计 与 实 现 (软 件 部 分 )中 文 摘 要当 今 ， 自 动 化 控 制 系 统 已 经 在 各 行 各 业 得 到 了 广 泛 的 应 用 和 发 展 ， 在 便 携 式 媒体 播 放 器 和 移 动 手 持 终 端 等 大 容 量 、 高 可 视 性 产 品 的 应 用 中 ， 触 摸 式 按 键 作 为 一 种 接口 技 术 已 被 广 泛 采 用 。 由 于 具 有 方 便 易 用 ， 时 尚 和 低 成 本 的 优 势 ， 越 来 越 多 的 电 子 产品 开 始 从 传 统 的 机 械 按 键 转 向 触 摸 式 按 键 。在 触 摸 按 键 技 术 方 面 ， 目 前 主 要 可 分 为 电 阻 式 触 摸 按 键 与 电 容 式 感 应 按 键 。 由 于电 阻 式 的 触 摸 按 键 需 要 在 设 备 表 面 贴 一 张 触 摸 电 阻 薄 膜 , 其 耐 用 性 较 低 ； 而 电 容 感应 按 键 技 术 具 有 在 非 金 属 操 作 面 板 上 无 须 开 孔 处 理 、 防 水 防 污 、 易 清 洁 、 无 机 械 开 关磨 损 而 寿 命 长 等 优 点 。本 论 文 通 过 分 析 电 容 式 触 摸 感 应 技 术 ， 研 究 人 体 触 摸 算 法 ， 设 计 出 基 于 PIC 单片 机 的 电 容 式 触 摸 按 键 系 统 。 根 据 系 统 的 要 求 完 成 了 整 体 方 案 设 计 ， 在 所 设 计 的 控 制方 案 里 对 控 制 系 统 的 软 、 硬 件 设 计 作 了 详 细 论 述 。 本 论 文 主 要 介 绍 软 件 部 分 ， 并 将 系统 软 件 分 为 ： 系 统 初 始 化 模 块 、 按 键 识 别 模 块 、 LCD 显 示 模 块 、 高 优 先 级 和 低 优 先级 中 断 服 务 程 序 模 块 。 首 先 将 各 个 模 块 进 行 分 析 研 究 ， 然 后 进 行 软 硬 件 联 合 调 试 ， 最后 完 成 该 毕 业 设 计 所 要 求 的 内 容 。关 键 词 ： 电 容 式 触 摸 感 应 ； 模 块 化 ； 调 试 ； PIC16F1937Design and implementation of capacitive touch keysAbstractNowadays， automatic control systems have been widely used and developed in Every aspect of life， the application of portable media players and mobile handsets, such as large-capacity, high-visibility products, the touch buttons as an interface technology has been widely adopted. Easy to use, stylish and low-cost advantage, more and more electronic products began to shift from the traditional mechanical buttons with touch button.Touch-button technology can be divided into resistive touch buttons and capacitive sensing buttons. Resistive touch keys touch the surface of the device is attached a resistive film, the lower its durability; Capacitive sensing key technologies has a handle on the panel of non-metallic operating without opening, watering pollution, easy to cleaning, non-mechanical switches wear long life advantages.In this paper, by analyzing capacitive touch sensing technology and studying human touch algorithm, we finish the design of capacitive touch button system based on PIC microcontroller. According to the requirements of the system we complete the overall design of the control system， in which hardware and software design are discussed in detail. This paper mainly introduces the software part, which is divided into four modules: the system initialization module, the key recognition module, LCD display module, a high priority and low priority interrupt service routine module. First do analysis and study on every module. Then combine hardware with software and debug. Finally complete the graduation designs requirements.KEY WORD: Capacitive touch sensing； Modular design； Debugging； PIC16F1937目 录第 一 章 前 言 .11.1 系 统 简 介 .11.2 课 题 的 研 究 背 景 .11.3 课 题 研 究 现 状 与 发 展 趋 势 .11.4 课 题 研 究 的 内 容 .21.5 本 章 小 结 .2第 二 章 系 统 设 计 .32.1 设 计 任 务 .32.1.1 电 容 触 摸 感 应 技 术 的 分 析 .32.1.2 人 体 触 摸 检 测 算 法 的 研 究 .52.2 总 体 方 案 分 析 .52.2.1 中 央 处 理 模 块 .62.2.2 电 源 转 换 电 路 .62.2.3 信 息 显 示 模 块 .62.3 系 统 功 能 结 构 及 组 成 .62.3.1 系 统 功 能 结 构 .62.3.2 系 统 组 成 .72.4 本 章 小 结 .7第 三 章 系 统 软 件 设 计 .83.1 软 件 设 计 思 想 .83.1.1 按 键 检 测 思 想 .83.1.2 各 个 显 示 模 块 设 计 思 想 .103.2 主 处 理 程 序 设 计 .103.3 按 键 设 计 模 块 .143.3.1 按 键 识 别 .143.3.2 按 键 的 程 序 框 图 .153.4 显 示 模 块 程 序 设 计 .183.4.3 LCD 显 示 模 块 .183.5 软 件 开 发 环 境 介 绍 .193.5.1 工 程 文 件 的 建 立 .203.5.2 源 程 序 的 加 载 .223.5.3 源 程 序 编 译 、 下 载 .233.6 本 章 小 结 .24第 四 章 硬 件 设 计 .254.1 硬 件 设 计 原 则 .254.2 电 容 式 触 摸 式 按 键 的 设 计 .254.2.1 PCB 常 规 设 计 .254.2.2 电 极 与 元 件 的 设 计 .274.2.3 覆 盖 物 .294.2.4 触 摸 式 按 键 的 原 理 .294.3 显 示 模 块 的 设 计 .314.4 段 式 液 晶 驱 动 HT1621.314.5 本 章 小 结 .33第 五 章 系 统 测 试 .34第 六 章 总 结 .38参 考 文 献 .39致 谢 .41附录 A 系统原理图 .42附录 B 系统 PCB 布线图 .43附录 C 实物图片 .44附录 D 程序代码 .451第 一 章 前 言在 便 携 式 媒 体 播 放 器 和 移 动 手 持 终 端 等 大 容 量 、 高 可 视 性 产 品 的 应 用 中 ， 触 摸 式按 键 作 为 一 种 接 口 技 术 已 被 广 泛 采 用 1。 由 于 具 有 方 便 易 用 ， 时 尚 和 低 成 本 的 优 势 ，越 来 越 多 的 电 子 产 品 开 始 从 传 统 的 机 械 按 键 转 向 触 摸 式 按 键 。 因 此 触 摸 式 按 键 作 为 一种 简 单 方 便 的 接 口 成 果 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。1.1 系 统 简 介为 解 决 传 统 的 机 械 式 按 键 输 入 方 式 易 磨 损 、 寿 命 短 等 问 题 ， 消 费 电 子 产 品 已 经 开始 逐 步 采 用 触 摸 感 应 按 键 ， 以 取 代 传 统 的 机 械 式 按 键 。 最 新 一 代 电 荷 检 测 技 术 ， 利 用操 作 者 的 手 指 与 触 摸 按 键 焊 盘 之 间 产 生 电 荷 电 平 来 进 行 检 测 ， 通 过 监 测 电 荷 的 微 小 变化 来 确 定 手 指 接 近 或 者 触 摸 到 感 应 表 面 。 通 过 本 次 设 计 可 以 更 加 深 入 了 解 电 容 触 摸感 应 的 相 关 知 识 ， 熟 悉 电 容 式 触 摸 按 键 实 现 的 具 体 过 程 。1.2 课 题 的 研 究 背 景触 摸 技 术 如 今 已 经 成 为 信 息 技 术 发 展 的 新 趋 势 ， 由 于 操 控 直 观 、 快 捷 ， 大 大 提 升了 人 机 互 动 的 效 率 ， 被 大 量 用 于 高 端 智 能 手 机 及 平 板 电 脑 。 触 摸 控 制 技 术 2又 可 分为 触 摸 屏 ( Touch Screen) 技 术 和 触 摸 按 键 ( Touch Key) 技 术 。 在 触 摸 按 键 技 术方 面 ， 目 前 主 要 可 分 为 电 阻 式 触 摸 按 键 与 电 容 式 感 应 按 键 。 电 阻 式 的 触 摸 按 键 由 多 块导 电 薄 膜 按 照 按 键 的 位 置 印 制 而 成 ， 需 要 在 设 备 表 面 贴 一 张 触 摸 薄 膜 。 电 阻 式 触 摸 按键 虽 然 价 格 低 廉 ， 但 其 导 电 薄 膜 耐 用 性 较 低 。 因 此 ， 电 容 式 触 摸 按 键 便 成 了 一 种 理 想的 替 代 方 案 。 电 容 式 触 摸 按 键 的 优 点 在 于 它 不 易 受 到 温 度 、 静 电 、 水 、 灰 尘 等 外 界 因素 影 响 ， 操 作 准 确 性 高 ； 靠 人 手 感 应 ， 整 个 界 面 没 有 按 键 存 在 ， 可 使 产 品 更 加 美 观 。此 外 ， 由 于 按 键 没 有 接 点 ， 使 用 寿 命 更 为 长 久 。1.3 课 题 研 究 现 状 与 发 展 趋 势触 摸 控 制 技 术 又 可 分 为 触 摸 屏 技 术 和 触 摸 按 键 技 术 。 在 触 摸 按 键 技 术 方 面 ，目 前 主 要 可 分 为 电 阻 式 触 摸 按 键 与 电 容 式 感 应 按 键 。 由 于 电 阻 式 的 触 摸 按 键 需 要 在设 备 表 面 贴 一 张 触 摸 电 阻 薄 膜 , 其 耐 用 性 较 低 ； 而 电 容 感 应 按 键 技 术 具 有 在 非 金 属操 作 面 板 上 无 须 开 孔 处 理 、 防 水 防 污 、 易 清 洁 、 无 机 械 开 关 磨 损 而 寿 命 长 等 优 点 。近 几 年 随 着 苹 果 公 司 将 电 容 触 摸 感 应 技 术 从 笔 记 本 电 脑 引 用 到 iPod 后 ， 电 容 触2摸 感 应 热 浪 正 席 卷 几 乎 所 有 电 子 产 品 ， 从 笔 记 本 电 脑 、 智 能 电 话 、 PDA、 游 戏 机 等手 持 设 备 , 到 LCD 、 TV、 DVD 等 消 费 电 子 产 品 ， 再 到 洗 衣 机 、 空 调 、 冰 箱 、 热 水器 、 电 磁 炉 以 及 咖 啡 壶 等 大 小 家 电 , 无 不 以 加 入 电 容 触 摸 感 应 为 新 的 卖 点 。 目 前 ，世 界 知 名 电 子 元 件 供 应 商 均 加 大 了 对 电 容 触 摸 按 键 的 应 用 研 究 , 并 推 出 众 多 的 专 业芯 片 , 有 专 用 电 容 感 应 按 键 类 的 全 ASIC, 也 有 众 多 基 于 MCU 集 成 类 的 IC。 但 这 些芯 片 价 格 较 高 , 在 一 些 按 键 数 量 少 、 成 本 要 求 低 的 电 路 中 很 难 得 到 运 用 。 另 外 ， 使用 这 些 集 成 类 IC， 很 难 做 到 所 选 资 源 恰 好 等 于 使 用 的 情 况 ， 存 在 资 源 的 浪 费 情 况 。而 且 对 于 升 级 成 熟 产 品 的 机 械 式 按 键 ， 还 存 在 变 更 原 MCU 代 码 的 风 险 。 同 时 ，目 前 ， 对 于 电 容 式 触 摸 按 键 的 介 绍 大 多 也 停 留 在 基 于 电 容 量 测 量 的 原 理 上 。1.4 课 题 研 究 的 内 容我 组 在 结 合 电 容 式 触 摸 按 键 的 原 理 上 ， 设 计 基 于 RC 充 放 电 原 理 ， 即 根 据 这 个充 电 时 间 的 变 化 量 就 可 以 判 断 出 是 否 有 按 键 按 下 ， 中 央 处 理 器 是 否 获 得 信 号 ， LED是 否 发 光 ， 从 而 判 断 出 按 键 是 否 设 计 成 功 。需 要 研 究 的 问 题 如 下 ：1、 分 析 电 容 式 触 摸 感 应 技 术 ；2、 了 解 人 体 触 摸 检 测 算 法 的 研 究 ；3、 理 解 电 容 式 触 摸 按 键 的 工 作 原 理 ；4、 了 解 控 制 核 心 单 片 机 PIC16F1937 组 成 及 功 能 ；5、 完 成 基 本 电 路 的 设 计 ， 并 画 出 电 路 原 理 图 ；6、 编 写 出 程 序 ， 并 进 行 调 试 。1.5 本 章 小 结本 章 主 要 介 绍 接 口 技 术 的 发 展 ， 从 机 械 按 键 转 化 为 触 摸 按 键 ， 从 电 阻 式 按 键 与 电容 式 按 键 的 比 较 重 看 出 ， 电 容 式 按 键 在 现 在 及 未 来 的 发 展 前 途 十 分 光 明 ， 同 时 也 引 出本 次 毕 业 设 计 电 容 式 触 摸 按 键 的 设 计 与 实 现 ， 最 后 在 本 次 毕 业 设 计 所 要 实 现 的 要 求 做出 了 大 概 的 介 绍 。3第 二 章 系 统 设 计2.1 设 计 任 务电 容 式 触 摸 按 键 的 设 计 是 采 用 模 块 化 设 计 的 方 法 。 根 据 课 题 研 究 的 内 容 和 实 现 的功 能 可 以 将 系 统 划 分 成 几 个 模 块 ， 每 个 模 块 可 以 单 独 设 计 和 调 试 ， 最 后 可 以 进 行 模 块间 的 接 口 和 调 试 ， 因 此 ， 该 系 统 的 结 构 和 性 能 就 可 以 取 决 于 各 个 功 能 模 块 的 性 能 和 模块 之 间 的 兼 容 性 。根 据 课 题 研 究 的 内 容 分 析 ， 电 容 式 触 摸 按 键 的 设 计 任 务 和 要 求 如 下 ：1、 分 析 电 容 触 摸 感 应 技 术 ；2、 研 究 人 体 触 摸 检 测 算 法 ；3、 以 单 片 机 PIC16F1937 为 中 央 处 理 器 ；4、 现 场 可 以 通 过 控 制 按 键 使 得 观 察 LCD 显 示 和 LED 流 水 灯 来 进 行 判 断 。2.1.1 电 容 触 摸 感 应 技 术 的 分 析电 容 式 感 应 正 在 越 来 越 多 地 应 用 于 我 们 的 日 常 生 活 。 优 雅 时 尚 的 电 容 式 感 应 界 面越 来 越 广 泛 地 应 用 在 便 携 媒 体 播 放 器 (PMP)、 手 机 、 计 算 机 、 POS 终 端 和 其 它 家 用电 子 设 备 上 ， 如 今 又 开 始 广 泛 应 用 于 工 业 和 医 学 应 用 领 域 。电 容 式 感 应 是 一 种 以 触 摸 操 作 为 基 础 的 感 应 形 式 。 作 为 传 统 机 械 式 按 钮 和 滑 动 触头 的 一 种 替 代 技 术 ， 电 容 式 感 应 技 术 还 可 以 用 于 设 计 触 摸 屏 、 触 摸 板 和 接 近 感 应 装 置 。这 项 技 术 并 不 感 应 按 钮 的 具 体 状 态 ， 而 是 用 于 检 测 导 电 物 体 是 否 存 在 ， 许 多 情 况 下 ，用 户 的 手 指 就 是 这 个 导 电 物 体 。1、 触 摸 操 作 系 统 的 优 点 和 实 现 方 式 ：之 所 以 采 用 触 摸 操 作 系 统 ， 其 原 因 有 几 种 。 基 本 原 因 之 一 是 为 了 获 得 更 高 的 可 靠性 和 耐 久 性 。 例 如 ， 公 共 信 息 亭 内 的 按 钮 要 承 受 大 量 不 当 的 使 用 和 频 繁 的 操 作 。 机 械式 按 钮 会 很 容 易 磨 损 并 导 致 故 障 发 生 。 而 更 换 按 钮 和 修 理 机 械 式 传 感 器 将 会 增 加 总 系统 成 本 。 而 使 用 触 摸 操 作 系 统 时 ， 系 统 更 为 耐 用 ， 从 长 期 角 度 来 说 ， 能 够 减 少 总 成 本 。触 摸 操 作 系 统 还 可 以 拥 有 更 多 灵 活 性 ， 因 为 它 的 按 钮 可 以 用 于 多 项 功 能 。 例 如 ， 在 传统 的 工 业 键 盘 上 ， 机 械 式 按 钮 实 际 上 只 能 执 行 单 项 功 能 ， 或 者 只 能 代 表 规 定 好 的 某 个菜 单 选 项 。 而 在 使 用 触 摸 屏 时 ， 因 为 显 示 可 以 连 续 改 变 ， 所 以 可 以 采 用 更 多 方 式 来 设计 界 面 。 唯 一 的 限 制 只 是 设 计 方 案 的 需 要 而 巳 。 同 样 的 道 理 ， 由 于 单 个 按 钮 可 以 应 用4于 多 种 用 途 ， 触 摸 操 作 系 统 就 能 够 在 更 小 的 空 间 内 拥 有 更 多 的 功 能 。 最 后 ， 触 摸 操 作系 统 与 机 械 式 按 钮 相 比 的 一 个 重 要 优 点 是 ： 它 可 以 改 善 最 终 用 户 的 体 验 。 基 于 触 摸 操作 的 解 决 方 案 通 常 更 为 直 观 易 懂 并 且 方 便 用 户 使 用 。触 摸 操 作 系 统 可 以 采 用 多 种 不 同 方 式 来 实 现 。 其 中 包 括 采 用 电 阻 膜 、 红 外 传 感 器 ，甚 至 是 表 面 声 波 。 电 容 式 感 应 能 够 在 感 应 到 手 指 存 在 时 启 用 ， 而 无 需 电 阻 膜 所 要 求 的触 摸 笔 或 压 力 。 由 于 基 于 触 摸 的 解 决 方 案 没 有 机 械 运 动 部 件 ， 因 此 它 比 机 械 式 按 钮 和开 关 更 为 经 久 耐 用 。 而 在 各 种 基 于 触 摸 的 解 决 方 案 中 ， 电 容 传 感 器 拥 有 极 其 优 秀 的 耐久 性 。 红 外 解 决 方 案 会 受 到 表 面 污 染 物 的 不 良 影 响 ， 而 电 容 式 感 应 技 术 对 环 境 因 素 具有 较 强 的 耐 受 性 。 由 于 电 容 式 感 应 可 以 采 用 多 种 外 覆 层 材 料 ， 并 可 以 采 用 不 同 水 平 的分 辨 率 和 精 确 度 ， 因 此 不 会 仅 限 于 某 些 特 定 应 用 领 域 。 电 容 式 感 应 可 以 应 用 于 消 费 类电 子 产 品 中 ， 如 移 动 手 机 、 MP3 播 放 器 和 数 码 相 机 ， 也 可 以 应 用 于 工 业 或 家 用 电 器 ，如 冼 衣 机 或 信 息 亭 。2、 电 容 式 感 应 的 工 作 原 理在 两 个 导 电 元 件 相 互 之 间 靠 得 很 近 时 ， 就 会 产 生 一 个 电 容 值 ， 本 图 中 标 为Cp， 这 个 电 容 值 是 由 于 传 感 器 垫 板 与 接 地 板 之 间 的 耦 合 现 象 而 形 成 的 。 Cp 属 于 寄生 电 容 ， 典 型 数 量 级 任 10pF 至 300pF。 传 感 器 与 接 地 板 靠 近 时 也 会 形 成 一 个 边 缘 电场 ， 这 个 电 场 能 够 穿 透 外 覆 层 。 基 本 上 ， 人 体 组 织 也 属 于 导 电 体 。 将 一 根 手 指 放 存 边缘 电 场 附 近 时 ， 就 会 增 加 这 个 电 容 系 统 的 导 电 表 面 面 积 。但 是 ， 附 加 手 指 电 容 值 的 数 量 级 在 0.1pF 至 10pF。 虽 然 一 根 于 指 的 存 在 会 导 致电 容 发 生 变 化 ， 但 与 寄 生 电 容 相 比 ， 该 变 化 的 幅 度 是 相 当 小 的 。 而 传 感 器 的 测 得 电 容值 称 为 CX。 在 没 有 手 指 存 在 的 情 况 下 ， CX 基 本 上 等 于 CP。 而 在 于 指 存 在 时 ，CX 则 为 CP 和 CF 的 和 。在 当 今 的 电 子 产 品 领 域 ， 噪 声 也 成 为 另 一 项 重 要 的 考 虑 因 素 3。 各 类 感 应 噪 声 ，诸 如 来 自 电 力 线 路 的 噪 声 ， 以 及 来 自 移 动 手 机 或 日 光 灯 的 辐 射 噪 声 ， 无 时 无 刻 不 存 在 ，所 以 必 须 加 以 考 虑 。 为 了 进 行 有 效 防 范 ， 可 以 增 加 信 噪 比 ， 并 消 除 虚 假 触 摸 响 应 。在 设 计 信 噪 比 、 耐 久 性 、 静 电 放 电 抵 抗 力 以 及 精 确 度 时 ， 所 选 择 的 外 覆 层 材 料 以及 外 覆 层 厚 度 具 有 很 大 的 影 响 。 而 且 ， 在 考 虑 材 料 的 类 型 和 厚 度 时 ， 必 须 根 据 产 品 的需 要 ， 在 许 多 方 面 采 取 折 衷 方 式 。 随 着 外 覆 层 材 料 厚 度 的 增 加 ， 信 号 和 噪 声 两 方 面 均会 减 少 。 但 是 ， 外 覆 层 材 料 越 厚 ， 则 对 于 静 电 放 电 的 抵 抗 力 就 越 强 。 人 体 的 静 电 电 压可 以 高 达 15 KV， 而 电 容 式 感 应 系 统 的 外 覆 层 有 助 于 避 免 集 成 电 路 在 遭 受 此 类 静 电 放电 时 发 生 永 久 性 损 坏 。 另 一 种 解 决 方 法 是 ， 使 用 一 层 聚 酰 亚 胺 (Kapton)带 ， 这 种 材料 在 需 要 超 强 静 电 放 电 保 护 的 应 用 中 能 够 发 挥 良 好 的 作 用 。 当 然 ， 外 覆 层 越 厚 ， 也 就越 不 容 易 破 裂 或 者 遭 到 破 坏 。5因 此 本 设 计 中 会 通 过 这 些 电 容 感 应 的 分 析 提 出 比 较 合 理 的 方 案 来 实 现 电 容 式 触摸 按 键 的 设 计 。2.1.2 人 体 触 摸 检 测 算 法 的 研 究触 摸 感 应 检 测 按 键 是 近 年 来 迅 速 发 展 起 来 一 种 新 型 按 键 。 它 可 以 穿 透 绝 缘 材 料 外壳 （ 玻 璃 、 塑 料 等 等 ） ， 通 过 检 测 人 体 手 指 带 来 的 电 荷 移 动 ， 而 判 断 出 人 体 手 指 触 摸动 作 ， 从 而 实 现 按 键 功 能 。 电 容 式 触 摸 按 键 不 需 要 传 统 按 键