電容式觸摸技術在電梯上的實際應用

聶煉航

摘 要：本文對電容式觸摸技術對進行了原理性分析，結合電梯實際應用，將觸摸技術運用到電梯按鈕上。從方案設計、可靠性設計、軟件調試等多方面介紹了電梯觸摸式按鈕的設計應用，相關產品已經投入實際使用中，具有很強的參考價值。

關鍵詞：電容式觸摸技術；電梯按鈕；自適應；防死機；Cypress；PSOC

前言：隨著我國經濟持續快速增長、城市化快速推進、人民生活水平提高、人口老齡化等因素的推動，我國電梯行業維持快速發展態勢。一方面，按鈕作為電梯必不可少的重要組成部分，無論是召喚箱上的呼梯按鈕還是轎廂里的樓層、開關門按鈕，人們對其美觀性、可靠性、體驗性都有了更高的需求。另一方面，隨著觸摸技術的成熟和不斷發展，它被運用在越來越多的鄰域和行業中，日常生活中，小到手機，大到工程設備隨處可見它的身影，因此將觸摸技術應用于電梯，用電容式觸摸式按鈕代替傳統的機械式按鈕也是大勢所趨。

一、觸摸式按鈕與機械式按鈕的對比如下：

二、電容式觸摸技術的原理分析

1、PCB板上的感應層CapSense到GND有個分布電容Cp；

2、在電路板上方，需要非金屬覆蓋層，覆蓋層用玻璃或者亞克力；

3、當手指接觸到表面覆蓋物后， 會與大地產生一個CF的電容；

4、觸摸前后檢測到的感應電容值分別為Cp和Cp+CF，當值超過我們設定 的閾值時，按鈕觸摸有效。

5、影響CF的因素

其中A為感應區域的面積，d為覆蓋物的厚度，εR為覆蓋物材料的介電常數，ε0為自由空間的介電常數。

常見材料的介電常數：

三、設計方案

1、 設計流程

2、 按鈕整體尺寸示例

3、 按鈕組成

觸摸按鈕由機械外殼和電子板兩大部分組成，按鈕的整體尺寸是充分考慮到安裝的兼容性，按常規轎廂的載重量以及轎廂按鈕的布局來設計的。電子板部分由按鈕控制板、感應背光板組成，按鈕控制板集成了電源、觸摸控制、輸入輸出接口、程序燒錄口，而感應背光板集成了感應電極、背光片，兩個電子板之間采用4個5位連接器對插連接，便于拆卸維修。

4、電子板設計

4.1、關鍵器件的選型

我們選用的觸摸IC為Cypress的CY8C4014SXI-421，Cypress公司是一家知名的電子芯片制造商，其電容式觸摸技術已經廣泛用于移動電話、個人電腦、消費類電子等領域，具有感應技術強大穩定、 抗噪能力強、自動調校技術等顯著特點。

4.2、可靠性設計

按鈕電源接口采用放電管、電感、TVS管組合方式來預防群脈沖和靜電；

輸入輸出接口采用TVS管、自恢復保險絲組合的方式來預防靜電和短路；

感應信號的線寬為7 mil，距離同層地線間距位1mm；

在感應背光板的感應器區域采用寬度為7 mil，間距為45 mil的網格；

在PCB的頂層和底層均采用寬度為7 mil，間距為70 mil的鋪地網格。

5、特色功能

兼容單色、雙色背光，多種顏色選擇；

兼容按鈕有效時輸出電源電壓或者0V；

支持覆蓋物最大厚度為10CM；

防死機功能，一定的時間持續有效時，按鈕復位；

參數自適應功能，當按鈕上有灰塵或者水珠，自動調整敏感度；

6、 電氣參數

額定電壓：DC24V（對講、警鈴為DC12V）

額定電流：10-40MA（與按鈕是否有效、按鈕背光大小相關）

動作壓力：0.5N–6N

電氣壽命：無次數限制

貯存溫度： - 20 ～ +70 °C

使用溫度： - 10 ～ +60 °C

工作濕度：≤90% 不結露

四、軟件調試

1、項目開發所需的軟件和硬件

軟件：PSoC Creator3.3，安裝后包括Programmer和I2C Bridge；

電子板和外殼；

調試工具：MiniProg3；

2、調試步驟如下

2.1、新建工程并選擇器件系列

2.2、選擇空白模版并設置工程名稱和路徑

2.3、按需添加觸摸、I2C、輸出、定時器、時鐘信號、中斷等功能模塊

2.4、雙擊設置各功能模塊參數

2.5、生成代碼，編寫主程序