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

近幾個(gè)月來(lái)，出現了一種將電容式觸摸用戶(hù)界面和電容式接近檢測用戶(hù)界面集成到照明應用中的趨勢。界面簡(jiǎn)單，能使用不規則形狀的傳感器并且能密封用戶(hù)界面，這些特性均有利于創(chuàng )建美觀(guān)且LED維護率低的界面。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 )導致設計時(shí)，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(lǐng)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(zhù)手。電容本質(zhì)上是兩個(gè)由絕緣體分隔的導體。根據絕緣體的類(lèi)型、導體的面積以及兩個(gè)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(gè)因數之間的基本關(guān)系。C代表電容的值，A代表兩個(gè)導體的重疊面積，兩個(gè)物理常數

和

分別代表自由空間的介電常數和絕緣材料的相對介電常數，D代表兩個(gè)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(gè)相對極板的電場(chǎng)線(xiàn)對電容值也有影響。關(guān)于典型雙極板電容的電場(chǎng)線(xiàn)示例圖，請參見(jiàn)圖1。在電容式觸摸系統中，觸摸傳感器使用從電容發(fā)出的電場(chǎng)線(xiàn)來(lái)檢測觸摸，而不是使用兩個(gè)導體之間的電場(chǎng)線(xiàn)。

圖1 雙極板電容的電場(chǎng)線(xiàn)示例圖

人類(lèi)以及大多數碳基生命事實(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介電常數(

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

圖2 受到高

材料干擾的電場(chǎng)線(xiàn)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(pán)。注：感應電極(導體)對應的另一個(gè)導體典型情況下是電路的參考地，也就是電路中的系統地。對于線(xiàn)路供電系統來(lái)講，參考地就是大地。因此，線(xiàn)路供電系統實(shí)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(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(huà)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量方法。阻抗低可以防止外部電場(chǎng)(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。如果電容測量系統的電源上存在高電平的傳導共模噪聲，那么看起來(lái)就像噪聲被注入到觸摸傳感器中。請記住，電路無(wú)法區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(lái)說(shuō)與傳感器上的噪聲相似。通過(guò)使用低阻抗的測量系統，我們可通過(guò)電路接地及時(shí)將用戶(hù)的水分子上拉或下拉，來(lái)降低傳導噪聲的影響，并對環(huán)境地通過(guò)用戶(hù)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(hù)地，這種方法將非常有效，但連接到用戶(hù)地時(shí)通常會(huì )出現問(wèn)題。因此，我們改為設法進(jìn)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低頻噪聲場(chǎng)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(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。轉換過(guò)程的實(shí)際機制也決定了系統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(shù)都有助于降低耦合到電容轉換中的噪聲。但是，無(wú)論如何小心地進(jìn)行轉換，采樣中總會(huì )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(jìn)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(shí)際限制測量值的變化率。畢竟，用戶(hù)觸摸的速度遠低于系統中的典型噪聲頻率，因此如果響應時(shí)間較長(cháng)的系統有助于抵消噪聲，那么可以使用這種系統。

另一個(gè)有用的功能是對數據應用壓擺率限制器?；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，電容式觸摸系統也可以正常工作。事實(shí)證明，這種環(huán)境正是照明系統必須能適應的環(huán)境。畢竟，照明系統通常與一些多噪聲源共用電源，包括HVAC、計算機系統、感性負載(電機和泵)以及其他照明系統，這些噪聲源都會(huì )產(chǎn)生大量傳導噪聲。除此之外，我們還生活在遍布無(wú)線(xiàn)信號的世界，包括移動(dòng)電話(huà)、Wi-Fi®和廣播無(wú)線(xiàn)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)的照明系統都需要能夠在輻射噪聲源和傳導噪聲源同時(shí)存在的環(huán)境下工作的電容系統。幸運的是，市場(chǎng)上現有的大多數電容式觸摸系統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能夠承受最常遇到的噪聲即可。

現在我們有了抗噪聲的電容式觸摸/接近檢測系統，如何將其應用于界面呢?在最簡(jiǎn)單的系統中，我們只需要實(shí)現開(kāi)燈和關(guān)燈。但是，大多數高端系統還需要調光，因此我們實(shí)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(kāi)關(guān)分發(fā)用戶(hù)手冊并不現實(shí)，因此使用的手勢對用戶(hù)來(lái)說(shuō)必須直觀(guān)。最后，無(wú)論使用哪種系統，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(guān)

2. 調光的方法簡(jiǎn)單直觀(guān)

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。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(jué)信息。

從要求3可知，不應在用戶(hù)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。幸運的是，大多數現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(lái)開(kāi)啟按鈕圖標的背光，使用基本“按鈕和滑塊”界面來(lái)開(kāi)燈和關(guān)燈以及進(jìn)行調光。各種單片機中應包含實(shí)現設計所需的所有功能，所需的電容式用戶(hù)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(hù)也能找到開(kāi)關(guān)并點(diǎn)亮圖標。

點(diǎn)亮的圖標為用戶(hù)提供基本的系統使用說(shuō)明。

如果在按鈕滑塊控件上增加一個(gè)軟件鎖定，使這些控件在檢測到接近后最初的二到三秒內不會(huì )被激活，則可避免用戶(hù)掠過(guò)界面時(shí)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(shí)間足以供用戶(hù)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(shí)現。

現在，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?例如：

1. 用戶(hù)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光。

雖然以目前的技術(shù)可以實(shí)現，但問(wèn)題是用戶(hù)體驗會(huì )受到何種影響?如果用戶(hù)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(hù)掠過(guò)傳感器就將燈關(guān)掉會(huì )怎么樣?或者，當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，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的靈敏度對操作有何影響。另外，可使用更穩定可靠的手勢識別系統來(lái)處理這種系統中的問(wèn)題。但是，即使是實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)單的二到三個(gè)手勢的模式識別系統，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(jìn)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(shù)，但設計人員必須記住，它們不僅為設計帶來(lái)了新的自由度，同時(shí)也帶來(lái)了設計用戶(hù)界面時(shí)必須考慮的新挑戰。對電氣噪聲和環(huán)境噪聲的敏感度，以及用戶(hù)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(gè)開(kāi)關(guān)替換另一個(gè)開(kāi)關(guān)的問(wèn)題。相反，這是一項具有自身優(yōu)點(diǎn)和挑戰的全新技術(shù)。畢竟，如果新界面難以使用并且比以前的系統更容易受新因素影響，其新奇性也會(huì )迅速褪色。