基于電容式觸摸感應的手勢識別技術

林飛燕

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528300）

引言

利用人體和電極之間產生的靜電電容進行工作的電容式觸摸開關，最初被應用于智能手機，進而又被廣泛地應用在了家電產品、AV 機器、汽車以及工業設備上[1]。由于非接觸式的手勢控制最大的特點是非接觸式操作，具有衛生、便捷、易清潔等特點。在醫療領域、汽車領域、家電領域、游戲機領域和智能終端領域的應用越來越廣泛。例如在醫療領域，醫護人員可以通過手勢控制醫療設備，而不用直接觸碰設備，降低了細菌和病毒的傳染幾率。家電方面以抽油煙機和灶具為例，用戶在做飯時，通常手是沾有水或油漬的，不方便直接操作抽油煙機或灶具，而非接觸式的手勢控制正好能解決用戶的這一痛點。

1 系統設計原理

1.1 系統硬件介紹

圖1是系統框圖，圖2是PCB設計圖。本方案采用瑞薩RX130系列高靈敏度電容感應式觸摸芯片，在正方形PCB的四個角設計四個方形感應電極P1～P4，電極之間應保持一定的距離，呈“田”字形排布。四個電極分別接入芯片的任意四個觸摸按鍵檢測通道。手勢模塊設計有通訊接口，用以連接應用設備。調試接口用于仿真和下載程序。為了方便察看手勢識別結果，還在中心位置的芯片上下左右四個位置安裝有LED指示燈D5～D8，用于表示識別結果。

圖2 PCB設計圖

特別指出，電極的面積大小直接影響感應距離。為了驗證感應距離和選定PCB的尺寸，測試階段做了五種尺寸的PCB，實驗測試結果見表1。

表1 尺寸與測試結果

1.2 電容觸摸原理介紹

任何兩個導電的物體之間都存在電容，電容的大小與介電常數、極板的面積和極板的距離有關。電容的公式如下：

式中：

C—電容，單位為F；

ε—介電常數，單位F/m；

ε0—真空介電常數，單位F/m；

εr—相對介電常數，是無量綱數；

S—電極板的面積，單位為m2；

d—電容器板之間的距離，單位為m。

需要注意的是，電容的計算公式只適用于平行板電容器，對于其它形式的電容器，計算方法會有所不同。

畢書清把媒介融合的模式分為四個方面：技術融合、內容融合、渠道融合和結構融合。技術融合是基礎，數字技術支持下，給多種融合提供了內在動力。平臺的多樣化使得內容的呈現也變得多樣化，報紙上的內容呈現不能滿足網頁新聞的要求，內容必須要適應融合。渠道融合指的是不同領域下的傳統媒體之間，傳統媒體與新媒體之間的共享合作。結構融合指的就是媒介內部組織融合以及媒介之間所有權的融合。本文對渠道融合和結論融合不過多闡述。只探討媒介融合對教育的意義。

如上所述，任何兩個導電的物體之間都存在電容，所以感應電極與周邊的導體之間，以及與大地之間形成寄生電容CP，因為人體也是導體，所以人體對大地也形成一個很小的電容CF（（0.1～10）pF）。當手指接近感應電極時，手指電容CF疊加在寄生電容CP上而產生組合電容Cs，Cs = CP+CF，如圖3所示。芯片就是通過檢測觸摸輸入通道的電容量的變化來識別人體是否接近電極的。

圖3 組合電容示意圖

瑞薩電子開發的靜電電容式觸摸檢測方法，利用開關電容濾波器（SCF）將靜電電容量轉換為電流量，對該信號進行放大和數字化處理后[2]，可以識別觸摸按鍵是否被觸發。需要說明的是瑞薩電容式觸摸感應技術包含互電容式和自電容式兩種。

互電容式有發射電極（Tx）和接收電極（Rx），Tx電極和Rx之間會產生互電容Cm，電極與其周邊導體之間會產生寄生電容CP，當手指靠近時，手指與電極之間會產生靜電電容CF，且CF會隨著手指的靠近而增加，Cm和CP、CF并聯產生復生電容Cs。CTSU（Capacitive Touch Sensitivity Unit電容觸摸感應單元）輸出與連接到電極的Rx和Tx的互電容成反比的數字計數，所以電容越大，計數值越小。通過設置CF增加量的閾值，可以計算出觸摸按鍵是處于“打開”還是“關閉”狀態。

自電容式只有感應接收電極，電極與其周圍導體形成寄生電容CP，當手指靠近時，手指與電極之間會產生靜電電容CF，且CF會隨著手指的靠近而增加，CP和CF并聯產生復生電容Cs。CTSU輸出一個與所連接電極的電容量Cs成正比的數字計數值，所以電容越大，計數值越大。通過設置CF增加量的閾值，可以計算出觸摸按鍵是處于“打開”還是“關閉”狀態。本方案采用自電容式，閾值設置為100，當感應值與基線的差值超過閾值后即為“打開”。

1.3 手勢識別方法

通過對手勢模塊的四個電極（觸摸按鍵）的觸發狀態及觸發時序進行對比分析，可以識別出預設的手勢類型。本方案設計的手勢模塊可以識別右劃（手掌從左往右劃過）、左劃（手掌從右往左劃過）、手掌單擊、手掌雙擊、手掌懸停、手指順時針旋轉、手指逆時針旋轉。

1.3.1 右劃和左劃的識別原理

右劃：先是P3和P4電極被觸發，緊接著400 ms內，P1和P2電極被觸發，且每個電極的觸發維持時間小于200 ms。此手勢操作的其中一次實驗波形記錄如圖4所示。

圖4 右劃波形圖

1.3.2 手掌單擊和雙擊的識別原理

手掌單擊：4個電極幾乎同時被觸發，且每個電極的觸發維持時間小于300 ms。這里說的“幾乎同時”是指時差不超過100 ms，此手勢操作的其中一次實驗波形記錄如圖5所示。

圖5 單擊波形圖

手掌雙擊：1 000 ms內，4個電極幾乎同時被觸發兩次，且每個電極的觸發維持時間小于200 ms。

1.3.3 手掌懸停識別原理

手掌懸停于手勢模塊上方，保持4個電極持續1秒被觸發。此手勢操作的其中一次實驗波形記錄如圖6所示。

圖6 手掌懸停波形圖

圖7 手指旋轉波形圖

1.3.4 手指旋轉識別原理

在1 000 ms內，四個電極P1、P2、P3、P4按順序或逆序依次被觸發。按照電極的觸發順序可以判定為順時針還是逆時針旋轉。從P1電極開始，順時針旋轉一周的實驗波形如7所示。

2 手勢識別技術的應用

手勢識別模塊通過IIC或UART或SPI通訊接口與受控設備連接。通信數據包的內容包括幀頭識別碼（1Byte）、手勢類型（1Byte）、手勢序號（1Byte）、校驗碼（2Bytes）共5個字節。第1字節幀頭識別碼，為一個固定的常數0×AA，受控設備接收到正確的識別碼后，開始接收有效數據。第2字節手勢類型，以不同的數值來表示不同的手勢類型。擬定0×01代表右劃手勢，0×02代表左劃手勢，0×03代表單擊手勢，0×04代表雙擊手勢，0×05代表懸停手勢，0×06代表順時針旋轉手勢，0×07表逆時針旋轉手勢。第3字節手勢序號，是一個遞增變量，每產生一個有效手勢，手勢序號加1，直到溢出，重新從0開始計數。第5、6字節校驗碼，為前面4個字節的累加和。受控設備在接收完一幀數據后，需對數據進行校驗，防止數據在傳輸過程中被干擾，校驗通過才執行相應指令。

以抽油煙機的應用為例，單擊控制照明燈的開關，右劃打開煙機和切換風機檔位，左劃關閉煙機，在時間設置時，順時針旋轉執行加操作，逆時針旋轉執行減操作，懸停手勢執行打開或關閉爆炒功能。

3 開發和調試的注意事項

1）為了達到一定的感應距離，感應電極的面積不能太小，以正方形電極為例，為了達到良好的效果，電極邊長不小于25 mm，兩感應電極的距離不能小于15 mm；

2）雖然觸摸芯片內部集成了噪聲抑制電路，但由于環境的變化和電網的干擾，感應計數值容易受到干擾，所以在軟件算法上面，對多次采樣值去掉最大值和最小值后，再求平均值；

3）閾值的設定不能低于噪聲值的10倍；

4）為了降低電源的干擾，靠近芯片VDD引腳端串接一個4.7 uH的貼片電感，再對GND并接一個100 nF和一個10 nF的貼片電容。

4 結語

本方案采用的瑞薩電子株式會社推出的新型RX130群32位微控制器（MCU），將用戶界面（即觸摸按鍵）和系統控制功能集成在單個MCU中。開發電容觸摸應用的工程師可借助瑞薩電子最新的第二代電容觸摸按鍵技術，在超低功耗、低成本的32位MCU上實現自感式和互感式電容感應。新的RX130群具有優異的靈敏度和噪聲容限，開發出的觸摸按鍵可使用各種覆蓋材料，包括厚亞克力板、玻璃、木材、織物或石材，能夠用于各種創新應用，包括用于在潮濕環境下工作的電器的控制面板[3]。

綜上所述，利用電容式觸摸感應檢測技術，可實現非接觸式的手勢識別。此技術相對于紅外檢測技術、超聲波檢測技術或影像手勢識別，具有成本低、不受光線影響、不怕遮擋等優勢。由于本方案具有成本低、受材料限制少、操控方便、健康衛生等特點，所以具有廣泛的應用前景。