基于电容式触摸按键防潮设计研究.pdf

88日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation基于电容式触摸按键防潮设计研究张吉征 陈妃味（广东 TCL 智能暖通设备有限公司 中山 528427）摘要：文章分析了电容式触摸按键在高潮态水汽或凝露水的环境下，触摸按键检测扫人体手指触摸按键式产生电容变化，并导致触摸按键误触发的原因。阐述在高潮态下触摸按键误触发各种场景及误触发的机理。提出电容式触摸按键检测法主要是通过调整触摸电极硬件设计，优化触摸软件逻辑来改善潮态对触摸效果的影响，能极大的提升触摸按键的可靠性和用户体验。关键词：自容式检测；互容式检测；潮态；触摸失效 Abstract：This paper analyzes the capacitive touch button in the high state water vapor or condensation water environment,the touch button detects the capacitor change,and leads to the touch button mistakenly triggered.It expounds the mechanism of various scenes and mistriggering by touch button in high state.It is proposed that the capacitive touch button detection method mainly improves the influence of tide state on touch effect by adjusting the hardware design of touch electrode and optimizing the logic of touch software,which can greatly improve the reliability and user experience of touch button.Key words：self-contained detection;mutual compatible detection;moisture state;touch failureStudy on Moisture-Proof Design Based on Capacitive Touch Button引言电容式触摸按键是一种无需机械键盘的输入设备，通过触摸传感器和控制芯片实现输入信号的检测和处理。电容式触摸按键通过检测物体与电极之间的电容变化来实现输入信号的检测。它具有灵敏度高、响应速度快、寿命长等优点，常用于智能家居如灯光开关、窗帘控制、空调控制、智能手表交互控制、智能手机交互、汽车控制面板等场景。电容式触摸按键由于可以实现一体化平面设计，触摸按键的应用不仅提高了产品的美观度和交互性，而且还大大提升了用户的使用体验。因触摸按键设计使产品外观精致，交互便利导致触摸按键在产品的应用越来越广泛，市场需求量逐年水涨船高。但触摸按键技术自身有弊端，主要存在误触问题、灵敏度问题及触摸按键失效。误触问题是有时候用户不小心触碰了按键或由于外界环境影响产生误触发，造成不必要的麻烦；灵敏度问题本身是个矛盾体，设置太灵敏，容易产生误触发，降低灵敏度，影响用户体验，给客户一种不好用的感觉；潮湿的应用场景对触摸按键有很大的影响，极易引发触摸按键失效，给用户一种产品可靠性差的印象。我们要充分了解触摸按键原理和应用场景，根据用户的使用习惯，改善触摸方案的硬件设计，优化软件算法逻辑，提高产品可靠性和用户体验。2023 年 7 月/Jul.2023 89技术创新/1 触摸原理方法概述 1.1 自电容法如图 1 的左侧显示了待机时电极的电容，右侧显示电容因人体接触而增加的电容。电极和线路中自身存在着寄生电容。当一个手指接近时，在电极和手指之间产生电容，使得电极之间的电容增加。自电容方法以这种方式检测 GND 之间产生的电容的变化。电极与 GND 之间的总电容可以用下式表示。C=Cp+Cf （1）式中：C 电极检测的总电容；Cp寄生虫电容；Cf手指触摸产生的电容。自电容测量法的测量物体（图中的手指）接近触摸电极时电容的增加值。1.2 互电容法如图 2 在互电容法中，测量一对电极、发送电极 TX 和接收电极 RX 之间产生的静电电容。当一个手指接近电极时，一部分电磁场移动到人体，导致电极之间的电容减小。通过周期性地观察这些电极之间的电容，可以检测到人体的接近。互电容测量法测量一对电极（接收电极和发送电极）的电极间电容。当手指靠近触摸电极时，感应器测量电极间电容的减小值。2 电容式触摸按键潮态机理水的介电常数高达 80，容易与电极或者电极之间产生电容并因此导致触摸误检测。2.1 自容式触触摸按键潮态场景1）水附着于单个电极，自电容和互电容检测中没有检测到电容的变化。也就是说，水附着于一个电极不会导致触摸误检测。图 3 显示了当水附着于一个电极时的自电容测量数据。附着于一个电极上的水不产生额外的电容（测量的数据不变），因此不会导致触摸误检测发生。2）水附着于多个电极，附着于多个电极上的水在自电容检测时会导致触摸误检测发生，在自电容检测中，附着于多个电极上的水会在电极间产生寄生电容，导致检测电容值增加。自电容检测依据检测到的电容值的增加情况来判断触摸/非触摸状态，因此会导致触摸误检测发生。如图 4 显示当水附着于多个电极时的自电容测量实际数据，TS11 显示有超过触摸检测阈值导致误检测发生，而 TS10 图 1 自电容法的触摸检测原理图 2 互电容法的触摸检测原理图 3 水附着于一个电极时的测量数据图 4 水附着于多个电极时的测量数据（自电容）90日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation由于未超过触摸检测阈值（绿线所示），所以没有触摸误检测发生。3）接地到 GND 的水附着于一个电极，如图7 所示，当接地到 GND 的水附着于一个电极时，电极和水之间产生的电容导致电容增加。在自电容测量时，导致触摸误检测发生(当人触摸电极导致电极接地到 GND 时也是如此)。图 5 显示了接地到 GND 的水附着于电极时的自电容测量数据。2.2 互容式触触摸按键潮态场景如图 6 所示，当接地到 GND 的水附着于电极时，电极和水之间产生的电容导致电容增加。同时，电极（发送电极和接收电极）间电容由于接地到 GND 而减小。因此，在互电容检测中，接地到 GND 的水附着于电极时会导致触摸误检测发生（当人触摸电极导致电极接地到 GND 时也是如此）。由于电极上的水接地到 GND 导致互容减小，因此互容测量值减小，触摸误检测发生。图 6 显示了当水附着于多个电极且其中一个电极接地到 GND 时的互电容测量数据。3 电容式触控按键耐水性设计3.1 自电容式触摸按键耐水性硬件设计处理 和互电容方式相比，自电容方式的触摸按键耐水性能较差，而且不能完全避免误操作。但是我们可以通过采取相应的措施和方法，可以在一定程度上提高它的耐水性能。如果两个触摸键电极之间的距离太近，在潮态环境下会有水滴或水膜同时附在两个或多个电极上，造成相邻电极的误检测。此时应拉开各个电极之间的距离，避免触摸键电极之间的距离太近，水滴会导致多个电极的桥接，从而引起误检测。3.2 自电容耐水性软件设计处理图 7 是耐水性软件处理流程图，不同品牌方图 5 接地到 GND 的水附着于电极（自电容）图 6 接地到 GND 的水附着于电极（互电容）案对应逻辑处理的核心逻辑基本相同，软件逻辑的核心就是检测到一个或多个触摸按键因受潮态影响产生电容增大时，触摸软件及时更新校准基准，保证触摸按键及时响应。3.3 自容式触摸线控器面板软件防潮处理逻辑图 8 是线控器的操作面板，共有开/关、MODE、BACK、MENU、OK、UP、DOWN、LEFT、RIGHT 等 9 个按键，采用自容式触摸按键设计方案，以线控器软件防潮处理为例说明软件设计逻辑。当水汽覆盖按键后背认为被识别为多个按键被同时按下，如果此时不处理，触摸按键时就会表现为触摸按键失效，触摸按键不响应，这种场景在实际应用中经常出现，给客户带来极差的使用体验。针对高湿环境下使用触摸按键，多按键按下的时候如果没有更新基线，就会出现触摸按键相应的现象，为提升用户实验体验，以线控器触摸按键为例说明现有逻辑应用层上对基线锁定:1）基线锁定，干扰产生信号未达到阈值，程序判定后延时 5 s 复位基线适应环境，保证系统尽快从环境异常中恢复，这样可以避免锁定后基线太高，极个别按键迟钝信号减小不灵敏的情况。2023 年 7 月/Jul.2023 91技术创新/注释 1：针对较薄的水，不会触发按键，按键也能够正常响应，基线也会自动更新去适应环境。注释 2：针对大面积覆盖水膜，已经触发了按键，再进行按键操作就无法响应，基线也会因为识别到按键而锁定，无法自行恢复，需要强制更新此时的基线来适应环境。注释 3：针对单个按键有水滴，已经触发了按键，再进行按键操作就无法响应，基线也会因为识别到按键而锁定，无法自行恢复，需强制更新此时的基线来适应。图 7 软件流程图及逻辑图 8 线控器触摸按键界面2）对于基线锁定达到阈值产生触摸输出的情况，对于我们规定的 menu+down 和 mode+down 组合以外的组合键，认为系统误触发，复位基线尽快恢复。3）对于基线锁定后的长按键除了 up、down、ok 的其他单个长按键做了 3 s 后的清除和基线复位。对于 up、down、ok 三个中的单个长按键涉及到用户操作，做了 60 s 的长按限制，误触发后，超过此时间清除按键信号复位基线，保证系统恢复到正常状态。4 互容式电极的耐水布线设计4.1 互电容耐水性硬件设计处理 在潮态环境下使用设备，电极的表面会形成水膜，由于水的具有高的介电常数，这时，如果手指接触水膜，相当于手指接触到了水膜下的多个电极，电极上的水接地到 GND 导致互容减小，导致触摸误检测发生，所以硬件设计上要进行针对性的设计处理。1）增大电极间距，所有对于耐水性能要求较高的产品，必须确保各个电极之间保持有足够宽的距离。为了防止相邻电极之间由于水汽产生电容的误检测（串扰），电极之间的距离建议是面板厚度（包括空气层）的 2 倍以上，即电极间距 2 面板厚度（空气层）。2）电极尽量在水平方向排布，即与水流向垂直排布，最大程度避免水流把相邻电极桥接。对于在测量中不使用的电极，发送电极 Tx 引线输出低电平。对于耐水性能要求较高的产品，可以将所有的发送电极 Tx 引线集中在一组中。这样可以防止非活动状态的发送电极 Tx 引线通过水膜与其他电极桥接，从而造成误检测。4.2 互电容耐水性软件设计处理互电容耐水性软件处理与自容电容式耐水软件处理大体一致，只是在判定标准不一样，自容电容式耐水软件处理判断电容增大进行触摸响应，而互电容耐水性软件处理是判断电容减小进行触摸响应，当电极检测到一个或多个触摸按键因受潮态影响产生互电容减小时，触摸软件及时更新校准基准，保证触摸及时响应。这里不在重复阐述。92日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation5 结论电容式触摸按键针对耐水性问题可以通过硬件设计调整，有针对性完善不同场景下软件处理逻辑，就能很好的解决电容式触模按键误触发、灵敏度及按键失效的问题。我们需要不断从提升产品可靠性和用户体验两个维度去完善电容式触控键设计方案。我们相信，通过不断的技术创新和改进，电容式触摸按键技术会成为一种更加可靠、便捷的触摸控制技术，随着智能家居、物联网等技术的发展，电容式触摸按键将会得到更广泛的应用。参考文献：作者简介：1 宋艳林,邓大成,刘海涛,等.触摸屏电学评价方法研究 J.企业技术开发,2018,37(10):5.2龙玲丽,雷茹,罗琴,等.电容式触摸按键理论分析及灵敏度研究J.中国高新技术企业,2014(14):3.3 郭涵雅,翁杨.电容式触摸按键扫描灵敏度及防水性研究 J.电子技术,2012,39(012):7-9.4 徐平.家电电容式轻触感应按键原理以及设计方式 J.电子测试,2019(9):3.5 滕莉,庞晓东.一种电容式触摸控制方法研究与设计 J.电子世界,2014(23):2.5 陈力洪.电容式自校准触摸按键传感芯片的研制 D.复旦大学,2012.6 陈坤.基于电容式触摸技术的研究与应用 D.陕西:西安电子科技大学,2012.张吉征，应用电子专业，本科，主要研究方向：制冷热泵控制硬件、智能硬件研究。强度理论计算出各种失效模式下托架所承受的单边极限负载值，通过对比单边极限负载值，得出各种失效模式的发生顺序，分析发生原因，提出解决托架失效的措施，为托架设计的可靠性安全性提升提供理论指导。根据前面所建立的负载及失效的理论模型，通过晾衣机额定负载值的约束，结合材料力学相关理论，反推出各零件的理论设计最小值，为托架设计的经济性提供理论指导，为企业创造客观的效益。参考文献：作者简介：1 李雷刚.电动晾衣机智能化的发展方向 J.电子技术与软件工程,2016(19):166.2 郑智,高名宏,孟锦晖,等.一种衣物晾晒机研究 J.湖北农机化,2019(19):122-123.3 张威,张雪飞,刘兵飞,等.剪刀架举升机构内力场建模 J.应用数学和力学,2015,36(S1):66-76.4胡小舟,胡军科,何国华.剪叉式举升机构建模及关键参数的研究J.机械研究与应用,2006(4):84-85.5 罗宁.剪叉式液压升降台速度控制方法及仿真分析 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