物聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)影響和現(xiàn)代化家庭和樓宇自動(dòng)化產(chǎn)品。盡管這個(gè)市場(chǎng)有望顯著增長(zhǎng)，但其潛力取決于用戶如何使用這些產(chǎn)品，因此制造商正專注于設(shè)計(jì)具有更優(yōu)雅用戶界面的產(chǎn)品以吸引更多用戶。

人機(jī)界面 （HMI） 是智能家居控制、安全訪問(wèn)面板、電器和音頻設(shè)備等產(chǎn)品的幾乎所有電子系統(tǒng)中的常見(jiàn)功能。HMI 是一個(gè)直觀的交互式子系統(tǒng)，可以通過(guò)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)來(lái)真正區(qū)分產(chǎn)品，從而吸引用戶的注意力。集成電容式觸摸感應(yīng)是改進(jìn) HMI 功能和保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的新方法。

與傳統(tǒng)機(jī)械按鈕相比，電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)有助于創(chuàng)建更優(yōu)雅的觸摸界面。然而，操作環(huán)境、系統(tǒng)復(fù)雜性、設(shè)計(jì)靈活性和功耗都給產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了壓力。本文解釋了如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)雅的 HMI 設(shè)計(jì)，同時(shí)闡述了與電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)以及系統(tǒng)解決方案。

觸摸操作環(huán)境 一個(gè)可靠的產(chǎn)品應(yīng)該有一個(gè)可以在所有預(yù)期環(huán)境中工作的用戶界面。有時(shí)，電容式觸摸傳感器和控制器會(huì)受到惡劣環(huán)境、極端溫度、濕度和濕氣積聚的顯著影響。

機(jī)械按鈕使用物理運(yùn)動(dòng)來(lái)觸發(fā)觸摸事件，但電容式觸摸有根本的不同，因?yàn)樗鼤?huì)檢測(cè)傳感器的電場(chǎng)和電容隨時(shí)間的變化。這種工作原理使電容式觸摸更容易受到濕氣的影響。對(duì)于戶外和廚房應(yīng)用，耐濕性至關(guān)重要，因?yàn)檫@些產(chǎn)品預(yù)計(jì)可以在存在水的情況下工作。

要處理處理器溫度和濕度漂移，您的系統(tǒng)需要能夠跟蹤電容式觸摸傳感器的周圍環(huán)境基線。它可以通過(guò)使用計(jì)算長(zhǎng)期平均值的軟件算法和參考值的過(guò)濾機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。這反過(guò)來(lái)又確保了電容式觸摸界面提供一致的用戶體驗(yàn)。

12 鍵鍵盤電容式觸摸設(shè)計(jì)就是一個(gè)很好的例子。它通過(guò)了IPX5進(jìn)水測(cè)試條件下的全觸控功能測(cè)試。此設(shè)計(jì)使用帶有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)屏蔽的互電容測(cè)量拓?fù)鋪?lái)限制傳感器之間的串?dāng)_，從而最大限度地減少接地耦合效應(yīng)。除了傳感器設(shè)計(jì)之外，在微控制器 （MCU） 上運(yùn)行的防潮固件也有助于提高可靠性。

觸摸感應(yīng)界面設(shè)計(jì) 電容式觸摸感應(yīng)界面設(shè)計(jì)的硬件和軟件開(kāi)發(fā)可能比使用傳統(tǒng)機(jī)械按鈕的設(shè)計(jì)更復(fù)雜。對(duì)于硬件，您需要考慮印刷電路板 （PCB） 布線和傳感器電極布局以及機(jī)械結(jié)構(gòu)。對(duì)于軟件，需要額外的固件來(lái)掃描傳感器和處理測(cè)量數(shù)據(jù)。

為了幫助縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，芯片供應(yīng)商正在提供工具來(lái)加速設(shè)計(jì)和原型過(guò)程。例如，TI 提供了電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)指南，可幫助解決系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)并提供解決方案以及可制造性的最佳實(shí)踐。芯片供應(yīng)商還開(kāi)發(fā)了一種設(shè)計(jì)工具，可以根據(jù)您的系統(tǒng)配置生成固件代碼。

工業(yè)設(shè)計(jì)正在成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品成功的重要因素，尤其是在智能家居和消費(fèi)電子市場(chǎng)，從機(jī)械按鈕到電容式觸控的轉(zhuǎn)變使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師能夠提供更具創(chuàng)新性的工業(yè)設(shè)計(jì)。如果消費(fèi)者必須在帶有機(jī)械按鈕鍵盤的笨重門鎖和帶有時(shí)尚電容式觸摸面板鍵盤和 LED 背光的現(xiàn)代智能門鎖之間進(jìn)行選擇，那么贏家是顯而易見(jiàn)的。

電容式觸摸傳感器可以設(shè)計(jì)成各種形狀、尺寸、配置和材料，以適應(yīng)各種產(chǎn)品外殼和不同的接口功能。它們的靈活性還簡(jiǎn)化了機(jī)械裝配并消除了移動(dòng)部件，最終降低了制造成本。然而，僅僅有創(chuàng)新的想法是不夠的；您還需要一個(gè)靈活的控制器（也稱為 MCU）來(lái)幫助解鎖所有設(shè)計(jì)可能性。圖 2 顯示了一些傳感器布局示例。

圖 2：電容式觸控設(shè)計(jì)中的傳感器布局示例。

功耗 超低功耗是電池供電的智能家居產(chǎn)品和電子門鎖、無(wú)線燈控制器和藍(lán)牙耳機(jī)等消費(fèi)電子設(shè)備中觸摸界面解決方案的關(guān)鍵要求。

與傳統(tǒng)的機(jī)械按鈕在檢測(cè)到觸摸事件之前保持系統(tǒng)休眠不同，電容式觸摸控制器需要定期喚醒以掃描傳感器，以檢測(cè)代表觸摸事件的用戶交互。圖 3 顯示了電容式觸控控制器的典型工藝流程。

圖 3：典型觸摸控制器掃描流程的視圖。

要實(shí)現(xiàn)低功耗，您可以優(yōu)化掃描速率，即控制器喚醒以掃描傳感器的頻率。掃描速率越低，功耗就越低——但需要權(quán)衡響應(yīng)時(shí)間。消費(fèi)電子產(chǎn)品中電容式觸摸界面的典型掃描速率在 8 Hz 至 100 Hz 范圍內(nèi)。

活動(dòng)期間的功耗是整體功耗的關(guān)鍵因素。市場(chǎng)上有很多電容式觸控解決方案，但大多數(shù)控制器都需要主處理器處于活躍期來(lái)掃描傳感器并處理測(cè)量數(shù)據(jù)。這種方法不可避免地會(huì)導(dǎo)致更高的系統(tǒng)功耗。例如，您可以每天打開(kāi)和關(guān)閉藍(lán)牙揚(yáng)聲器并調(diào)節(jié)音量 10 次。但即使您不與產(chǎn)品交互，主處理器仍必須處于活動(dòng)狀態(tài)并處理傳感器數(shù)據(jù)。

然而，低功耗是一項(xiàng)必不可少的要求，因此一些 IC 制造商現(xiàn)在在其電容式觸摸控制器中加入數(shù)字狀態(tài)機(jī)，用于在活動(dòng)期間掃描傳感器和處理測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)這種方法，消耗大部分功率的主處理器在檢測(cè)到觸摸事件之前根本不需要喚醒。

因此，如果功耗是阻礙您切換到電容式觸摸的原因，請(qǐng)確保您選擇的 MCU 能夠?qū)崿F(xiàn)基于狀態(tài)機(jī)的自動(dòng)掃描技術(shù)。

結(jié)論

隨著用戶體驗(yàn)在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越重要，電容式觸摸感應(yīng)正日益成為一種流行的技術(shù)，用于設(shè)計(jì)富有創(chuàng)意、復(fù)雜且具有成本效益的用戶界面。隨后，對(duì)強(qiáng)大的電容式觸摸控制器的需求促使芯片制造商繼續(xù)創(chuàng)新其 IC 解決方案，并幫助解決系統(tǒng)挑戰(zhàn)，如功耗、設(shè)計(jì)靈活性、系統(tǒng)復(fù)雜性和對(duì)環(huán)境影響的抵抗力。審核編輯：郭婷