在低成本的线路供电LED照明设计中实现电容式接近检测界面和触摸界面

 近几个月来，出现了一种将电容式触摸用户界面和电容式接近检测用户界面集成到照明应用中的趋势。界面简单，能使用不规则形状的传感器并且能密封用户界面，这些特性均有利于创建美观且LED维护率低的界面。遗憾的是，照明和触摸传感在技术和工艺上存在差异，这会导致设计时，为达各自目的而产生冲突，尤其是成本有限的建筑照明领域。本文将介绍弥补这一差别的方法和策略。
我们从电容式触摸的基本概念着手。电容本质上是两个由绝缘体分隔的导体。根据绝缘体的类型、导体的面积以及两个导体之间的距离，电容的大小将有所不同。公式1给出了以上各个因数之间的基本关系。C代表电容的值，A代表两个导体的重叠面积，两个物理常数

和

分别代表自由空间的介电常数和绝缘材料的相对介电常数，D代表两个导体之间的距离。

公式1：电容公式。

电容两极板之间的空间通常是决定电容大小的主要因素，而连接两个相对极板的电场线对电容值也有影响。关于典型双极板电容的电场线示例图，请参见图1。在电容式触摸系统中，触摸传感器使用从电容发出的电场线来检测触摸，而不是使用两个导体之间的电场线。

图1 双极板电容的电场线示例图

人类以及大多数碳基生命事实上是由各种化合物和大量水混合组成的。水是由电极化分子构成的液体，也就是说，电场可以非常轻易地极化水中的分子。因此，水基和碳基生命具有非常高的相对介电常数(

> 60)，对电场的影响非常显著。这正是电容式触摸界面得以应用的条件。(见图2)

图2 受到高

材料干扰的电场线示例图

通常，人体会使传感器的电容增大，因此电容式触摸界面或电容式接近检测界面仅需要能以足够分辨率测量传感器电容的方法以及可导电的传感器焊盘。注：感应电极(导体)对应的另一个导体典型情况下是电路的参考地，也就是电路中的系统地。对于线路供电系统来讲，参考地就是大地。因此，线路供电系统实际上具有较高的触摸检测灵敏度，因为人体与大地很接近。

这看似我们只需要一种测量电容的方法。在理想化的情况下的确如此。然而，实际情况并不完美并且存在一定的噪声，因此需要为刚才那句话加几个限定词。我们实际需要的是阻抗低且不易受到噪声影响的电容测量方法。阻抗低可以防止外部电场(传导噪声)影响电容测量，不易受到噪声影响可防止外部RFI(辐射噪声)影响电容测量。

我们先讨论传导噪声。如果电容测量系统的电源上存在高电平的传导共模噪声，那么看起来就像噪声被注入到触摸传感器中。请记住，电路无法区分其电气上移和下移与传感器的电气上拉和下拉。因此，传导噪声对于电路来说与传感器上的噪声相似。通过使用低阻抗的测量系统，我们可通过电路接地及时将用户的水分子上拉或下拉，来降低传导噪声的影响，并对环境地通过用户施加在传感器上的影响加以限制。

为了消除外部噪声，如果可能，通常使用差分测量方法。如果能分接到用户地，这种方法将非常有效，但连接到用户地时通常会出现问题。因此，我们改为设法进行两次测量，一次测量传感器上的正电荷，一次测量传感器上的负电荷。将两者相减，可得到适用于大多数低频噪声场合的差分测量近似值。

要限制辐射噪声的影响，需要做两件事：限制传感器连接到转换电路的时间量，从而提供噪声路径;抖动采样的时序以防止介于采样频率和辐射噪声频率之间的拍频。转换过程的实际机制也决定了系统对辐射噪声的敏感性，因此某些转换方法将更适合抑制辐射噪声。

所有这些技术都有助于降低耦合到电容转换中的噪声。但是，无论如何小心地进行转换，采样中总会引入一些噪声。此外，触摸以及接近检测引起的偏移量也非常小。为了处理引入的噪声并提高灵敏度，我们将进行多次采样并取所有结果的平均值。这将增加由触摸引起的偏移量，有助于平均掉噪声，并且实际限制测量值的变化率。毕竟，用户触摸的速度远低于系统中的典型噪声频率，因此如果响应时间较长的系统有助于抵消噪声，那么可以使用这种系统。

另一个有用的功能是对数据应用压摆率限制器。基本上，此功能将检查每个新采样，如果采样值高于平均值，则平均值增加1~5。如果低于平均值，则平均值减小同样的值。这可防止大的噪声尖峰将平均值拉高或拉低，同时又能够辨识采样值的缓慢变化。

在这些功能的共同作用下，即使在噪声环境中，电容式触摸系统也可以正常工作。事实证明，这种环境正是照明系统必须能适应的环境。毕竟，照明系统通常与一些多噪声源共用电源，包括HVAC、计算机系统、感性负载(电机和泵)以及其他照明系统，这些噪声源都会产生大量传导噪声。除此之外，我们还生活在遍布无线信号的世界，包括移动电话、Wi-Fi®和广播无线电/TV。

因此，任何想要整合电容式触摸界面(尤其是接近检测界面)的照明系统都需要能够在辐射噪声源和传导噪声源同时存在的环境下工作的电容系统。幸运的是，市场上现有的大多数电容式触摸系统可承受通常在家庭和办公室环境中遇到的噪声。作为设计人员，我们只需要确保预制的电容式触摸系统能够承受最常遇到的噪声即可。

现在我们有了抗噪声的电容式触摸/接近检测系统，如何将其应用于界面呢?在最简单的系统中，我们只需要实现开灯和关灯。但是，大多数高端系统还需要调光，因此我们实际上需要的是在某种程度上能识别手势的界面。此外，由于随灯开关分发用户手册并不现实，因此使用的手势对用户来说必须直观。最后，无论使用哪种系统，都必须具有合理的防止误触发的能力。

我们首先列出要求：

1. 开关灯的方法简单直观

2. 调光的方法简单直观

3. 合理地防止误触发

4. 不使用时功耗极低

5. 物料成本低

从要求1和2可知，我们可能需要某种介绍界面操作的图标。鉴于我们讨论的是照明控制，因此图标必须能在黑暗中发光或具有某种触觉信息。

从要求3可知，不应在用户接近开关时就开灯和关灯。

要求4和5说明必须限制功耗和成本。幸运的是，大多数现代单片机的工作功耗非常低。它们还具备照明控制和电容触摸所需的所有必要外设功能。

因此，鉴于所有这些要求，合理的界面应使用电容式接近检测来开启按钮图标的背光，使用基本“按钮和滑块”界面来开灯和关灯以及进行调光。各种单片机中应包含实现设计所需的所有功能，所需的电容式用户界面软件应可从单片机制造商处轻松获取。

借助按钮图标上的接近传感器，即使在黑暗中，用户也能找到开关并点亮图标。

点亮的图标为用户提供基本的系统使用说明。

如果在按钮滑块控件上增加一个软件锁定，使这些控件在检测到接近后最初的二到三秒内不会被激活，则可避免用户掠过界面时导致意外的设置更改。

我们还将功耗和成本降至最低，因为可以使用成本较低的电源仅为图标的背光供电10~20秒，而这段时间足以供用户设置照明级别。

我们的界面成本也已降至最低，因为电容式接近检测和触摸传感器设计可使用低成本的印刷薄膜传感器实现。

现在，有人可能会问，为什么不使整个界面都基于电容式接近检测?例如：

1. 用户将手从左向右移动时开灯，从右向左移动时关灯。

2. 将手上/下移动并掠过传感器可控制灯的调光。

虽然以目前的技术可以实现，但问题是用户体验会受到何种影响?如果用户无法将灯开到最大亮度，如何在黑暗中找到界面?如果用户掠过传感器就将灯关掉会怎么样?或者，当家里的狗把尾巴掠过传感器时，会发生什么情况?

虽然这些情况听起来有些牵强，但设计人员必须知道电容式触摸容易受到这种环境“噪声”的影响，并且应考虑到电容式接近检测系统的灵敏度对操作有何影响。另外，可使用更稳定可靠的手势识别系统来处理这种系统中的问题。但是，即使是实现一个简单的二到三个手势的模式识别系统，其处理要求通常也超出了低成本小型单片机的能力。因此也需要对成本进行权衡。

电容式接近检测和电容式触摸是令人兴奋的新技术，但设计人员必须记住，它们不仅为设计带来了新的自由度，同时也带来了设计用户界面时必须考虑的新挑战。对电气噪声和环境噪声的敏感度，以及用户界面体验的复杂度，都必须在设计中加以考虑。请记住，这不仅是用一个开关替换另一个开关的问题。相反，这是一项具有自身优点和挑战的全新技术。毕竟，如果新界面难以使用并且比以前的系统更容易受新因素影响，其新奇性也会迅速褪色。