在低成本的線路供電LED照明設計中實現(xiàn)電容式接近檢測界面和觸摸界面

近幾個月來，出現(xiàn)了一種將電容式觸摸用戶界面和電容式接近檢測用戶界面集成到照明應用中的趨勢。界面簡單，能使用不規(guī)則形狀的傳感器并且能密封用戶界面，這些特性均有利于創(chuàng)建美觀且LED維護率低的界面。遺憾的是，照明和觸摸傳感在技術和工藝上存在差異，這會導致設計時，為達各自目的而產(chǎn)生沖突，尤其是成本有限的建筑照明領域。本文將介紹彌補這一差別的方法和策略。
我們從電容式觸摸的基本概念著手。電容本質(zhì)上是兩個由絕緣體分隔的導體。根據(jù)絕緣體的類型、導體的面積以及兩個導體之間的距離，電容的大小將有所不同。公式1給出了以上各個因數(shù)之間的基本關系。C代表電容的值，A代表兩個導體的重疊面積，兩個物理常數(shù)

和

分別代表自由空間的介電常數(shù)和絕緣材料的相對介電常數(shù)，D代表兩個導體之間的距離。

公式1：電容公式。

電容兩極板之間的空間通常是決定電容大小的主要因素，而連接兩個相對極板的電場線對電容值也有影響。關于典型雙極板電容的電場線示例圖，請參見圖1。在電容式觸摸系統(tǒng)中，觸摸傳感器使用從電容發(fā)出的電場線來檢測觸摸，而不是使用兩個導體之間的電場線。

圖1 雙極板電容的電場線示例圖

人類以及大多數(shù)碳基生命事實上是由各種化合物和大量水混合組成的。水是由電極化分子構成的液體，也就是說，電場可以非常輕易地極化水中的分子。因此，水基和碳基生命具有非常高的相對介電常數(shù)(

> 60)，對電場的影響非常顯著。這正是電容式觸摸界面得以應用的條件。(見圖2)

圖2 受到高

材料干擾的電場線示例圖

通常，人體會使傳感器的電容增大，因此電容式觸摸界面或電容式接近檢測界面僅需要能以足夠分辨率測量傳感器電容的方法以及可導電的傳感器焊盤。注：感應電極(導體)對應的另一個導體典型情況下是電路的參考地，也就是電路中的系統(tǒng)地。對于線路供電系統(tǒng)來講，參考地就是大地。因此，線路供電系統(tǒng)實際上具有較高的觸摸檢測靈敏度，因為人體與大地很接近。

這看似我們只需要一種測量電容的方法。在理想化的情況下的確如此。然而，實際情況并不完美并且存在一定的噪聲，因此需要為剛才那句話加幾個限定詞。我們實際需要的是阻抗低且不易受到噪聲影響的電容測量方法。阻抗低可以防止外部電場(傳導噪聲)影響電容測量，不易受到噪聲影響可防止外部RFI(輻射噪聲)影響電容測量。

我們先討論傳導噪聲。如果電容測量系統(tǒng)的電源上存在高電平的傳導共模噪聲，那么看起來就像噪聲被注入到觸摸傳感器中。請記住，電路無法區(qū)分其電氣上移和下移與傳感器的電氣上拉和下拉。因此，傳導噪聲對于電路來說與傳感器上的噪聲相似。通過使用低阻抗的測量系統(tǒng)，我們可通過電路接地及時將用戶的水分子上拉或下拉，來降低傳導噪聲的影響，并對環(huán)境地通過用戶施加在傳感器上的影響加以限制。

為了消除外部噪聲，如果可能，通常使用差分測量方法。如果能分接到用戶地，這種方法將非常有效，但連接到用戶地時通常會出現(xiàn)問題。因此，我們改為設法進行兩次測量，一次測量傳感器上的正電荷，一次測量傳感器上的負電荷。將兩者相減，可得到適用于大多數(shù)低頻噪聲場合的差分測量近似值。

要限制輻射噪聲的影響，需要做兩件事：限制傳感器連接到轉換電路的時間量，從而提供噪聲路徑;抖動采樣的時序以防止介于采樣頻率和輻射噪聲頻率之間的拍頻。轉換過程的實際機制也決定了系統(tǒng)對輻射噪聲的敏感性，因此某些轉換方法將更適合抑制輻射噪聲。

所有這些技術都有助于降低耦合到電容轉換中的噪聲。但是，無論如何小心地進行轉換，采樣中總會引入一些噪聲。此外，觸摸以及接近檢測引起的偏移量也非常小。為了處理引入的噪聲并提高靈敏度，我們將進行多次采樣并取所有結果的平均值。這將增加由觸摸引起的偏移量，有助于平均掉噪聲，并且實際限制測量值的變化率。畢竟，用戶觸摸的速度遠低于系統(tǒng)中的典型噪聲頻率，因此如果響應時間較長的系統(tǒng)有助于抵消噪聲，那么可以使用這種系統(tǒng)。

另一個有用的功能是對數(shù)據(jù)應用壓擺率限制器?；旧?，此功能將檢查每個新采樣，如果采樣值高于平均值，則平均值增加1~5。如果低于平均值，則平均值減小同樣的值。這可防止大的噪聲尖峰將平均值拉高或拉低，同時又能夠辨識采樣值的緩慢變化。

在這些功能的共同作用下，即使在噪聲環(huán)境中，電容式觸摸系統(tǒng)也可以正常工作。事實證明，這種環(huán)境正是照明系統(tǒng)必須能適應的環(huán)境。畢竟，照明系統(tǒng)通常與一些多噪聲源共用電源，包括HVAC、計算機系統(tǒng)、感性負載(電機和泵)以及其他照明系統(tǒng)，這些噪聲源都會產(chǎn)生大量傳導噪聲。除此之外，我們還生活在遍布無線信號的世界，包括移動電話、Wi-Fi®和廣播無線電/TV。

因此，任何想要整合電容式觸摸界面(尤其是接近檢測界面)的照明系統(tǒng)都需要能夠在輻射噪聲源和傳導噪聲源同時存在的環(huán)境下工作的電容系統(tǒng)。幸運的是，市場上現(xiàn)有的大多數(shù)電容式觸摸系統(tǒng)可承受通常在家庭和辦公室環(huán)境中遇到的噪聲。作為設計人員，我們只需要確保預制的電容式觸摸系統(tǒng)能夠承受最常遇到的噪聲即可。

現(xiàn)在我們有了抗噪聲的電容式觸摸/接近檢測系統(tǒng)，如何將其應用于界面呢?在最簡單的系統(tǒng)中，我們只需要實現(xiàn)開燈和關燈。但是，大多數(shù)高端系統(tǒng)還需要調(diào)光，因此我們實際上需要的是在某種程度上能識別手勢的界面。此外，由于隨燈開關分發(fā)用戶手冊并不現(xiàn)實，因此使用的手勢對用戶來說必須直觀。最后，無論使用哪種系統(tǒng)，都必須具有合理的防止誤觸發(fā)的能力。

我們首先列出要求：

1. 開關燈的方法簡單直觀

2. 調(diào)光的方法簡單直觀

3. 合理地防止誤觸發(fā)

4. 不使用時功耗極低

5. 物料成本低

從要求1和2可知，我們可能需要某種介紹界面操作的圖標。鑒于我們討論的是照明控制，因此圖標必須能在黑暗中發(fā)光或具有某種觸覺信息。

從要求3可知，不應在用戶接近開關時就開燈和關燈。

要求4和5說明必須限制功耗和成本。幸運的是，大多數(shù)現(xiàn)代單片機的工作功耗非常低。它們還具備照明控制和電容觸摸所需的所有必要外設功能。

因此，鑒于所有這些要求，合理的界面應使用電容式接近檢測來開啟按鈕圖標的背光，使用基本“按鈕和滑塊”界面來開燈和關燈以及進行調(diào)光。各種單片機中應包含實現(xiàn)設計所需的所有功能，所需的電容式用戶界面軟件應可從單片機制造商處輕松獲取。

借助按鈕圖標上的接近傳感器，即使在黑暗中，用戶也能找到開關并點亮圖標。

點亮的圖標為用戶提供基本的系統(tǒng)使用說明。

如果在按鈕滑塊控件上增加一個軟件鎖定，使這些控件在檢測到接近后最初的二到三秒內(nèi)不會被激活，則可避免用戶掠過界面時導致意外的設置更改。

我們還將功耗和成本降至最低，因為可以使用成本較低的電源僅為圖標的背光供電10~20秒，而這段時間足以供用戶設置照明級別。

我們的界面成本也已降至最低，因為電容式接近檢測和觸摸傳感器設計可使用低成本的印刷薄膜傳感器實現(xiàn)。

現(xiàn)在，有人可能會問，為什么不使整個界面都基于電容式接近檢測?例如：

1. 用戶將手從左向右移動時開燈，從右向左移動時關燈。

2. 將手上/下移動并掠過傳感器可控制燈的調(diào)光。

雖然以目前的技術可以實現(xiàn)，但問題是用戶體驗會受到何種影響?如果用戶無法將燈開到最大亮度，如何在黑暗中找到界面?如果用戶掠過傳感器就將燈關掉會怎么樣?或者，當家里的狗把尾巴掠過傳感器時，會發(fā)生什么情況?

雖然這些情況聽起來有些牽強，但設計人員必須知道電容式觸摸容易受到這種環(huán)境“噪聲”的影響，并且應考慮到電容式接近檢測系統(tǒng)的靈敏度對操作有何影響。另外，可使用更穩(wěn)定可靠的手勢識別系統(tǒng)來處理這種系統(tǒng)中的問題。但是，即使是實現(xiàn)一個簡單的二到三個手勢的模式識別系統(tǒng)，其處理要求通常也超出了低成本小型單片機的能力。因此也需要對成本進行權衡。

電容式接近檢測和電容式觸摸是令人興奮的新技術，但設計人員必須記住，它們不僅為設計帶來了新的自由度，同時也帶來了設計用戶界面時必須考慮的新挑戰(zhàn)。對電氣噪聲和環(huán)境噪聲的敏感度，以及用戶界面體驗的復雜度，都必須在設計中加以考慮。請記住，這不僅是用一個開關替換另一個開關的問題。相反，這是一項具有自身優(yōu)點和挑戰(zhàn)的全新技術。畢竟，如果新界面難以使用并且比以前的系統(tǒng)更容易受新因素影響，其新奇性也會迅速褪色。