在低成本的線路供電LED照明設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)電容式接近檢測(cè)界面和觸摸界面

近幾個(gè)月來(lái)，出現(xiàn)了一種將電容式觸摸用戶界面和電容式接近檢測(cè)用戶界面集成到照明應(yīng)用中的趨勢(shì)。界面簡(jiǎn)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(hù)率低的界面。遺憾的是，照明和觸摸傳感在技術(shù)和工藝上存在差異，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)，為達(dá)各自目的而產(chǎn)生沖突，尤其是成本有限的建筑照明領(lǐng)域。本文將介紹彌補(bǔ)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(gè)由絕緣體分隔的導(dǎo)體。根據(jù)絕緣體的類型、導(dǎo)體的面積以及兩個(gè)導(dǎo)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(gè)因數(shù)之間的基本關(guān)系。C代表電容的值，A代表兩個(gè)導(dǎo)體的重疊面積，兩個(gè)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(duì)介電常數(shù)，D代表兩個(gè)導(dǎo)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(gè)相對(duì)極板的電場(chǎng)線對(duì)電容值也有影響。關(guān)于典型雙極板電容的電場(chǎng)線示例圖，請(qǐng)參見(jiàn)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(chǎng)線來(lái)檢測(cè)觸摸，而不是使用兩個(gè)導(dǎo)體之間的電場(chǎng)線。

圖1 雙極板電容的電場(chǎng)線示例圖

人類以及大多數(shù)碳基生命事實(shí)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(gòu)成的液體，也就是說(shuō)，電場(chǎng)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(duì)介電常數(shù)(

> 60)，對(duì)電場(chǎng)的影響非常顯著。這正是電容式觸摸界面得以應(yīng)用的條件。(見(jiàn)圖2)

圖2 受到高

材料干擾的電場(chǎng)線示例圖

通常，人體會(huì)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(cè)界面僅需要能以足夠分辨率測(cè)量傳感器電容的方法以及可導(dǎo)電的傳感器焊盤(pán)。注：感應(yīng)電極(導(dǎo)體)對(duì)應(yīng)的另一個(gè)導(dǎo)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(duì)于線路供電系統(tǒng)來(lái)講，參考地就是大地。因此，線路供電系統(tǒng)實(shí)際上具有較高的觸摸檢測(cè)靈敏度，因?yàn)槿梭w與大地很接近。

這看似我們只需要一種測(cè)量電容的方法。在理想化的情況下的確如此。然而，實(shí)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(gè)限定詞。我們實(shí)際需要的是阻抗低且不易受到噪聲影響的電容測(cè)量方法。阻抗低可以防止外部電場(chǎng)(傳導(dǎo)噪聲)影響電容測(cè)量，不易受到噪聲影響可防止外部RFI(輻射噪聲)影響電容測(cè)量。

我們先討論傳導(dǎo)噪聲。如果電容測(cè)量系統(tǒng)的電源上存在高電平的傳導(dǎo)共模噪聲，那么看起來(lái)就像噪聲被注入到觸摸傳感器中。請(qǐng)記住，電路無(wú)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(dǎo)噪聲對(duì)于電路來(lái)說(shuō)與傳感器上的噪聲相似。通過(guò)使用低阻抗的測(cè)量系統(tǒng)，我們可通過(guò)電路接地及時(shí)將用戶的水分子上拉或下拉，來(lái)降低傳導(dǎo)噪聲的影響，并對(duì)環(huán)境地通過(guò)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(cè)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(shí)通常會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因此，我們改為設(shè)法進(jìn)行兩次測(cè)量，一次測(cè)量傳感器上的正電荷，一次測(cè)量傳感器上的負(fù)電荷。將兩者相減，可得到適用于大多數(shù)低頻噪聲場(chǎng)合的差分測(cè)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(zhuǎn)換電路的時(shí)間量，從而提供噪聲路徑;抖動(dòng)采樣的時(shí)序以防止介于采樣頻率和輻射噪聲頻率之間的拍頻。轉(zhuǎn)換過(guò)程的實(shí)際機(jī)制也決定了系統(tǒng)對(duì)輻射噪聲的敏感性，因此某些轉(zhuǎn)換方法將更適合抑制輻射噪聲。

所有這些技術(shù)都有助于降低耦合到電容轉(zhuǎn)換中的噪聲。但是，無(wú)論如何小心地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采樣中總會(huì)引入一些噪聲。此外，觸摸以及接近檢測(cè)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(jìn)行多次采樣并取所有結(jié)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(shí)際限制測(cè)量值的變化率。畢竟，用戶觸摸的速度遠(yuǎn)低于系統(tǒng)中的典型噪聲頻率，因此如果響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)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(gè)有用的功能是對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用壓擺率限制器?；旧?，此功能將檢查每個(gè)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(shí)又能夠辨識(shí)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(shí)證明，這種環(huán)境正是照明系統(tǒng)必須能適應(yīng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、感性負(fù)載(電機(jī)和泵)以及其他照明系統(tǒng)，這些噪聲源都會(huì)產(chǎn)生大量傳導(dǎo)噪聲。除此之外，我們還生活在遍布無(wú)線信號(hào)的世界，包括移動(dòng)電話、Wi-Fi®和廣播無(wú)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(cè)界面)的照明系統(tǒng)都需要能夠在輻射噪聲源和傳導(dǎo)噪聲源同時(shí)存在的環(huán)境下工作的電容系統(tǒng)。幸運(yùn)的是，市場(chǎng)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(shè)計(jì)人員，我們只需要確保預(yù)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(cè)系統(tǒng)，如何將其應(yīng)用于界面呢?在最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，我們只需要實(shí)現(xiàn)開(kāi)燈和關(guān)燈。但是，大多數(shù)高端系統(tǒng)還需要調(diào)光，因此我們實(shí)際上需要的是在某種程度上能識(shí)別手勢(shì)的界面。此外，由于隨燈開(kāi)關(guān)分發(fā)用戶手冊(cè)并不現(xiàn)實(shí)，因此使用的手勢(shì)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)必須直觀。最后，無(wú)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(kāi)關(guān)燈的方法簡(jiǎn)單直觀

2. 調(diào)光的方法簡(jiǎn)單直觀

3. 合理地防止誤觸發(fā)

4. 不使用時(shí)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(biāo)。鑒于我們討論的是照明控制，因此圖標(biāo)必須能在黑暗中發(fā)光或具有某種觸覺(jué)信息。

從要求3可知，不應(yīng)在用戶接近開(kāi)關(guān)時(shí)就開(kāi)燈和關(guān)燈。

要求4和5說(shuō)明必須限制功耗和成本。幸運(yùn)的是，大多數(shù)現(xiàn)代單片機(jī)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(shè)功能。

因此，鑒于所有這些要求，合理的界面應(yīng)使用電容式接近檢測(cè)來(lái)開(kāi)啟按鈕圖標(biāo)的背光，使用基本“按鈕和滑塊”界面來(lái)開(kāi)燈和關(guān)燈以及進(jìn)行調(diào)光。各種單片機(jī)中應(yīng)包含實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需的所有功能，所需的電容式用戶界面軟件應(yīng)可從單片機(jī)制造商處輕松獲取。

借助按鈕圖標(biāo)上的接近傳感器，即使在黑暗中，用戶也能找到開(kāi)關(guān)并點(diǎn)亮圖標(biāo)。

點(diǎn)亮的圖標(biāo)為用戶提供基本的系統(tǒng)使用說(shuō)明。

如果在按鈕滑塊控件上增加一個(gè)軟件鎖定，使這些控件在檢測(cè)到接近后最初的二到三秒內(nèi)不會(huì)被激活，則可避免用戶掠過(guò)界面時(shí)導(dǎo)致意外的設(shè)置更改。

我們還將功耗和成本降至最低，因?yàn)榭梢允褂贸杀据^低的電源僅為圖標(biāo)的背光供電10~20秒，而這段時(shí)間足以供用戶設(shè)置照明級(jí)別。

我們的界面成本也已降至最低，因?yàn)殡娙菔浇咏鼨z測(cè)和觸摸傳感器設(shè)計(jì)可使用低成本的印刷薄膜傳感器實(shí)現(xiàn)。

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

1. 用戶將手從左向右移動(dòng)時(shí)開(kāi)燈，從右向左移動(dòng)時(shí)關(guān)燈。

2. 將手上/下移動(dòng)并掠過(guò)傳感器可控制燈的調(diào)光。

雖然以目前的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，但問(wèn)題是用戶體驗(yàn)會(huì)受到何種影響?如果用戶無(wú)法將燈開(kāi)到最大亮度，如何在黑暗中找到界面?如果用戶掠過(guò)傳感器就將燈關(guān)掉會(huì)怎么樣?或者，當(dāng)家里的狗把尾巴掠過(guò)傳感器時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況?

雖然這些情況聽(tīng)起來(lái)有些牽強(qiáng)，但設(shè)計(jì)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(yīng)考慮到電容式接近檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度對(duì)操作有何影響。另外，可使用更穩(wěn)定可靠的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)來(lái)處理這種系統(tǒng)中的問(wèn)題。但是，即使是實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的二到三個(gè)手勢(shì)的模式識(shí)別系統(tǒng)，其處理要求通常也超出了低成本小型單片機(jī)的能力。因此也需要對(duì)成本進(jìn)行權(quán)衡。

電容式接近檢測(cè)和電容式觸摸是令人興奮的新技術(shù)，但設(shè)計(jì)人員必須記住，它們不僅為設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的自由度，同時(shí)也帶來(lái)了設(shè)計(jì)用戶界面時(shí)必須考慮的新挑戰(zhàn)。對(duì)電氣噪聲和環(huán)境噪聲的敏感度，以及用戶界面體驗(yàn)的復(fù)雜度，都必須在設(shè)計(jì)中加以考慮。請(qǐng)記住，這不僅是用一個(gè)開(kāi)關(guān)替換另一個(gè)開(kāi)關(guān)的問(wèn)題。相反，這是一項(xiàng)具有自身優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)的全新技術(shù)。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(huì)迅速褪色。