电容式感应照明控制用户界面

        智能照明控制技术已经越来越多的应用于消费领域。餐厅、酒吧、办公室、电影院、家庭、飞机、汽车等，这些只是成熟照明控制方案中的一小部分例子，其增强了整体氛围和用户体验。粗大的照明控制面板和数以百计按钮的日子一去不复返了。今天的照明系统更智能，可以对光强度、色调和饱和度进行控制，只需一个触摸按钮即可。

        图1显示了一个基本照明控制技术应用的框图。它有一个用户界面，其可以选择预设的照明选项，或直接控制灯具。一些系统还有环境光感应器，其可以根据当前环境自动控制室内灯光。根据用户/环境传感器的输入，控制器将控制数据传输到监测LED /灯具特性的光控制器。

        本文将重点介绍高效照明控制用户界面设计。市场上有很多照明控制系统，用户界面通常是决定系统和产品成功与否的关键。

        我们的想法是要提高用户控制，设计不再需要大量的选择按键和面积占用，可以用更独特更智能的电容式触摸感应按钮或滑条控制。使用电容式感应界面不仅可以提供吸引眼球的面板设计，而且使系统具有更强的鲁棒性，没有抖动，性价比高。此外，电容式传感器的可编程检测距离能力在接口方面引入了一个全新的维度。这篇文章的关键议题包括，电容式传感技术，用户界面，径向滑条，LED背光和接近感应。

电容式感应

        PCB上的每一条铜线都有一定的相关寄生电容。利用该属性，电容式传感器可以由PCB上的铜泊实现。传感器上面有一层绝缘覆盖物，可以保护每个传感器不受ESD和和用户电气影响。当用户触摸传感器上的覆盖物时，该传感器的电容会发生变化。这是由于手指引入的电容与传感器的电容并联在一起。该技术用于测量或检测电容传感器的变化，称为电容式感应。图2显示了一个简单的检测传感器电容变化的实现方式。

 

该电路主要使用开关电容技术等效成一个电阻。等效电阻的值是:

       方程1

        根据方程1，传感器电容增加。等效电阻减少。电阻值的变化使电流Isensor也发生变化。该电流变大，转换为电压信号然后进一步处理。快速ADC（通常是SAR ADC）可用于将电压信号进行数字化处理。通过在固件中跟踪数字化数据和相关电压信号，我们可以探测到手指电容带来的电容变化。

        图2显示了SOC实现的电容式传感器。虽然基于SOC的设计实现很简单，但实现电容式触摸感应时仍需要考虑很多因素，包括:

 1. 宽电容范围 —— 这可以使用高分辨率ADC和精确TIA达到。然而，使用高精度模拟元件，就会增加系统成本。

2. 环境噪声—— 由于手指引入的电容变化是很小的（通常是，< 0.5 pf ），甚至环境里很的噪声都可以引入寄生电容，有可能导致误检测。

3. 环境的改变——电容是湿度和温度的函数。因此，电路和固件应当在终端应用中设计成可以处理它们影响的方式。

        图3所示为一个使用赛普拉斯PSoC CY8C21x34 电容式感应Sigma Delta(CSD)方法实现的高性能电容传感器。由于控制器的设计是基于SoC的，它可以根据具体应用要求进行配置。内置的CSD模块也可以用于实现接近传感或集合传感器。

        该实现类似于图2所示的框图。这种实现增加了模块和部件，有助于解决上面列出的那些问题。

        在这种技术中，调制电容CMOD将通过等效电阻充电。当集成的电容电压达到参考电压(VREF)时，比较器输出转换为高，连接RB(放电电阻)到地。这就形成了CMOD放电回路。当电容式电压低于VREF，比较器输出回到低，断开RB 开关。这一行为不断重复，比较器输出形成了脉冲流，其使能计数器。

        传感器电容变化将改变CMOD充电电流。由于CMOD 变化的充电速率(REQ*CMOD )和固定的放电速率(RB*CMOD )，比较器输出的脉冲流占空比将会改变。这一脉冲流占空比的变化可以通过读出计数器来检测到。

用户界面

         一个用于房间照明控制应用的典型用户界面，可以提供可选择的预定义照明亮度选项。先进的用户界面可以使用户控制个性化的颜色组成及光亮强度。图4显示了这样的用户界面。

 

        图4显示的界面有四个电容式按钮，它们用来选择灯光的特定组合。可以使用径向滑条来增加或减少选择的属性，如光亮强度(如果触摸强度按钮)或饱和度(如果触摸任何的基本颜色按钮)。除了径向滑动这一功能，径向传感器还可通过预定义的照明级别用于导航浏览。可以通过滑条固件编写将滑条中央当作一个特别的按钮。这个“额外”按钮可以实现一个“菜单”或“选择”按钮。除了电容式传感器，照明控制界面还有一个LCD，它用来显示光强度，色彩饱和度，或照明选项。
LED用来照亮用户界面上激活的传感器。这些通常称为“背光LED”。 PCB上有一些小孔，使用这种方式，无论用户触摸传感器或滑条，LED都会从底层照亮相应的传感器或滑条，从而反馈给用户该传感器被激活了。

径向滑动-向里和向外

        PCB上的径向滑条设计相对简单。它可以视为一组种电容式传感器，排成一个圆形。除了形状，线性滑条和圆形滑条的唯一区别是，线性滑条有固定的起点和终点，而圆形滑条没有，因为它是圆形的。从应用程序的角度来看，手指从线性滑条最左端滑向最右端，分辨率将会从0%提高到100%。使用圆形滑条，应用程序还需考虑要达到100%的分辨率要完成多少圈。

        为了确定手指在滑条的确切位置，需要一个单独立方法(例如:质心计算法)来检测。这是因为当手指放置在滑条上时，它触摸到了多个传感器。根据手指覆盖的传感器区域，通过计算质心传感器可以计算手指的确切位置，其具有最高响应。质心计算法还很好的综合了相邻传感器的响应，因为他们也被手指触摸到了。举例来说，如果1传感器有最大响应，那么用于质心计算的传感器有0、1和2传感器；同样地，如果传感器0有最大响应，那么只会考虑0和1传感器。对于径向滑条，相邻的传感器不仅仅是一个传感器向上一个传感器向下。下面的算法为如何识别邻近的传感器。

背光LED

        背光LED用于增加界面在黑暗环境下的可见度。他们可以是单色LED或三色LED（其可以结合环境光给出精确的颜色）。对于三色LED（取决于当前的要求），可以使用buck/boost配置形成一个闭环系统来控制颜色和强度。

接近传感集合和背光

        接近感应天线不再使用单独的线迹，滑条的所有段都可以连接起来，形成一个大感应块或天线，其可以实现接近传感功能。这种使用一组传感器实现接近传感的方法称为接近传感集合。接近传感集合和背光可以为设计增加特色。总之，这些特色可以使当手接近设备时点亮背光灯，从而使用户在黑暗中也能找到相应位置。接近传感集合技术实现可以通过将径向滑条的所有段连接到模拟Mux来简化。使用数模混合信号器件，例如CY8C21x34、内部模拟Mux总线可以用于连接外部传感器接口不同引脚到内部CSD模块。可以在固件连接或断开传感器和模拟Mux 总线:

         当传感器集合天线检测到某个物体(如人手)接近时，固件点亮背光LED，用户就可以看清控制界面。当LED切换到开的状态，径向滑条块可以换回到其正常功能，将传感器从模拟Mux总线断开。如果目标物体/或手已经离开一定时间了，Timeout功能可以关掉LED。

        对接近传感器集合可以进行适当的调节，可以改变天线的强度。这确定了接近传感器能成功检测到目标靠近用户接口板并把背光LED打开的距离。

        本文介绍了使用电容式感应方法实现照明控制用户界面的典型方式。开发人员可以进一步提升自己的设计，可以提供一系列颜色，使用户能够自己选择一种颜色进行照明控制。照明控制用户界面和控制单元使用无线通讯是另一种不同于照明控制的方式。