基于电容式触摸感应的手势识别技术

林飞燕

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528300）

引言

利用人体和电极之间产生的静电电容进行工作的电容式触摸开关，最初被应用于智能手机，进而又被广泛地应用在了家电产品、AV 机器、汽车以及工业设备上[1]。由于非接触式的手势控制最大的特点是非接触式操作，具有卫生、便捷、易清洁等特点。在医疗领域、汽车领域、家电领域、游戏机领域和智能终端领域的应用越来越广泛。例如在医疗领域，医护人员可以通过手势控制医疗设备，而不用直接触碰设备，降低了细菌和病毒的传染几率。家电方面以抽油烟机和灶具为例，用户在做饭时，通常手是沾有水或油渍的，不方便直接操作抽油烟机或灶具，而非接触式的手势控制正好能解决用户的这一痛点。

1 系统设计原理

1.1 系统硬件介绍

图1是系统框图，图2是PCB设计图。本方案采用瑞萨RX130系列高灵敏度电容感应式触摸芯片，在正方形PCB的四个角设计四个方形感应电极P1～P4，电极之间应保持一定的距离，呈“田”字形排布。四个电极分别接入芯片的任意四个触摸按键检测通道。手势模块设计有通讯接口，用以连接应用设备。调试接口用于仿真和下载程序。为了方便察看手势识别结果，还在中心位置的芯片上下左右四个位置安装有LED指示灯D5～D8，用于表示识别结果。

图2 PCB设计图

特别指出，电极的面积大小直接影响感应距离。为了验证感应距离和选定PCB的尺寸，测试阶段做了五种尺寸的PCB，实验测试结果见表1。

表1 尺寸与测试结果

1.2 电容触摸原理介绍

任何两个导电的物体之间都存在电容，电容的大小与介电常数、极板的面积和极板的距离有关。电容的公式如下：

式中：

C—电容，单位为F；

ε—介电常数，单位F/m；

ε0—真空介电常数，单位F/m；

εr—相对介电常数，是无量纲数；

S—电极板的面积，单位为m²；

d—电容器板之间的距离，单位为m。

需要注意的是，电容的计算公式只适用于平行板电容器，对于其它形式的电容器，计算方法会有所不同。

毕书清把媒介融合的模式分为四个方面：技术融合、内容融合、渠道融合和结构融合。技术融合是基础，数字技术支持下，给多种融合提供了内在动力。平台的多样化使得内容的呈现也变得多样化，报纸上的内容呈现不能满足网页新闻的要求，内容必须要适应融合。渠道融合指的是不同领域下的传统媒体之间，传统媒体与新媒体之间的共享合作。结构融合指的就是媒介内部组织融合以及媒介之间所有权的融合。本文对渠道融合和结论融合不过多阐述。只探讨媒介融合对教育的意义。

如上所述，任何两个导电的物体之间都存在电容，所以感应电极与周边的导体之间，以及与大地之间形成寄生电容CP，因为人体也是导体，所以人体对大地也形成一个很小的电容CF（（0.1～10）pF）。当手指接近感应电极时，手指电容CF叠加在寄生电容CP上而产生组合电容Cs，Cs = CP+CF，如图3所示。芯片就是通过检测触摸输入通道的电容量的变化来识别人体是否接近电极的。

图3 组合电容示意图

瑞萨电子开发的静电电容式触摸检测方法，利用开关电容滤波器（SCF）将静电电容量转换为电流量，对该信号进行放大和数字化处理后[2]，可以识别触摸按键是否被触发。需要说明的是瑞萨电容式触摸感应技术包含互电容式和自电容式两种。

互电容式有发射电极（Tx）和接收电极（Rx），Tx电极和Rx之间会产生互电容Cm，电极与其周边导体之间会产生寄生电容CP，当手指靠近时，手指与电极之间会产生静电电容CF，且CF会随着手指的靠近而增加，Cm和CP、CF并联产生复生电容Cs。CTSU（Capacitive Touch Sensitivity Unit电容触摸感应单元）输出与连接到电极的Rx和Tx的互电容成反比的数字计数，所以电容越大，计数值越小。通过设置CF增加量的阈值，可以计算出触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。

自电容式只有感应接收电极，电极与其周围导体形成寄生电容CP，当手指靠近时，手指与电极之间会产生静电电容CF，且CF会随着手指的靠近而增加，CP和CF并联产生复生电容Cs。CTSU输出一个与所连接电极的电容量Cs成正比的数字计数值，所以电容越大，计数值越大。通过设置CF增加量的阈值，可以计算出触摸按键是处于“打开”还是“关闭”状态。本方案采用自电容式，阈值设置为100，当感应值与基线的差值超过阈值后即为“打开”。

1.3 手势识别方法

通过对手势模块的四个电极（触摸按键）的触发状态及触发时序进行对比分析，可以识别出预设的手势类型。本方案设计的手势模块可以识别右划（手掌从左往右划过）、左划（手掌从右往左划过）、手掌单击、手掌双击、手掌悬停、手指顺时针旋转、手指逆时针旋转。

1.3.1 右划和左划的识别原理

右划：先是P3和P4电极被触发，紧接着400 ms内，P1和P2电极被触发，且每个电极的触发维持时间小于200 ms。此手势操作的其中一次实验波形记录如图4所示。

图4 右划波形图

1.3.2 手掌单击和双击的识别原理

手掌单击：4个电极几乎同时被触发，且每个电极的触发维持时间小于300 ms。这里说的“几乎同时”是指时差不超过100 ms，此手势操作的其中一次实验波形记录如图5所示。

图5 单击波形图

手掌双击：1 000 ms内，4个电极几乎同时被触发两次，且每个电极的触发维持时间小于200 ms。

1.3.3 手掌悬停识别原理

手掌悬停于手势模块上方，保持4个电极持续1秒被触发。此手势操作的其中一次实验波形记录如图6所示。

图6 手掌悬停波形图

图7 手指旋转波形图

1.3.4 手指旋转识别原理

在1 000 ms内，四个电极P1、P2、P3、P4按顺序或逆序依次被触发。按照电极的触发顺序可以判定为顺时针还是逆时针旋转。从P1电极开始，顺时针旋转一周的实验波形如7所示。

2 手势识别技术的应用

手势识别模块通过IIC或UART或SPI通讯接口与受控设备连接。通信数据包的内容包括帧头识别码（1Byte）、手势类型（1Byte）、手势序号（1Byte）、校验码（2Bytes）共5个字节。第1字节帧头识别码，为一个固定的常数0×AA，受控设备接收到正确的识别码后，开始接收有效数据。第2字节手势类型，以不同的数值来表示不同的手势类型。拟定0×01代表右划手势，0×02代表左划手势，0×03代表单击手势，0×04代表双击手势，0×05代表悬停手势，0×06代表顺时针旋转手势，0×07表逆时针旋转手势。第3字节手势序号，是一个递增变量，每产生一个有效手势，手势序号加1，直到溢出，重新从0开始计数。第5、6字节校验码，为前面4个字节的累加和。受控设备在接收完一帧数据后，需对数据进行校验，防止数据在传输过程中被干扰，校验通过才执行相应指令。

以抽油烟机的应用为例，单击控制照明灯的开关，右划打开烟机和切换风机档位，左划关闭烟机，在时间设置时，顺时针旋转执行加操作，逆时针旋转执行减操作，悬停手势执行打开或关闭爆炒功能。

3 开发和调试的注意事项

1）为了达到一定的感应距离，感应电极的面积不能太小，以正方形电极为例，为了达到良好的效果，电极边长不小于25 mm，两感应电极的距离不能小于15 mm；

2）虽然触摸芯片内部集成了噪声抑制电路，但由于环境的变化和电网的干扰，感应计数值容易受到干扰，所以在软件算法上面，对多次采样值去掉最大值和最小值后，再求平均值；

3）阈值的设定不能低于噪声值的10倍；

4）为了降低电源的干扰，靠近芯片VDD引脚端串接一个4.7 uH的贴片电感，再对GND并接一个100 nF和一个10 nF的贴片电容。

4 结语

本方案采用的瑞萨电子株式会社推出的新型RX130群32位微控制器（MCU），将用户界面（即触摸按键）和系统控制功能集成在单个MCU中。开发电容触摸应用的工程师可借助瑞萨电子最新的第二代电容触摸按键技术，在超低功耗、低成本的32位MCU上实现自感式和互感式电容感应。新的RX130群具有优异的灵敏度和噪声容限，开发出的触摸按键可使用各种覆盖材料，包括厚亚克力板、玻璃、木材、织物或石材，能够用于各种创新应用，包括用于在潮湿环境下工作的电器的控制面板[3]。

综上所述，利用电容式触摸感应检测技术，可实现非接触式的手势识别。此技术相对于红外检测技术、超声波检测技术或影像手势识别，具有成本低、不受光线影响、不怕遮挡等优势。由于本方案具有成本低、受材料限制少、操控方便、健康卫生等特点，所以具有广泛的应用前景。