ESP32 電容式觸摸感測器完整教學：touchRead、觸摸中斷、Deep Sleep 喚醒與滑桿實作

ESP32 電容式觸摸感測器

ESP32 內建 10 通道電容式觸摸感測器（Capacitive Touch Sensor），透過測量 RC 震盪電路的放電次數來偵測觸摸。這項功能在 IoT 裝置中非常實用，可用於觸控按鈕、滑桿、近距離感測、水位偵測，以及 Deep Sleep 觸摸喚醒等場景。

與傳統機械按鈕比較

工作原理

ESP32 觸摸感測器採用 RC 震盪充放電法，原理如下：

1. 觸摸腳位內部整合一個恆流源，對寄生電容（Cp）充電
2. 當電壓達到閾值時，觸發放電（透過內部開關快速放電）
3. 充放電次數由 RTC 計數器（RTC_CNT）計數
4. 同樣時間內，觸摸（手指增加寄生電容 Cfinger）會使充電速度變慢，計數值降低
5. 比對計數值與閾值，判斷是否觸摸

關鍵關係式：

充電時間 T_charge = R_eq * C_total
C_total = Cp + Cfinger（手指接近時）

無觸摸 → C_total = Cp → 充電快 → 放電次數多 → 數值高（約 500~800）
有觸摸 → C_total = Cp + Cfinger → 充電慢 → 放電次數少 → 數值低（約 200~400）

觸摸感測器 API

ESP32 Arduino 提供了兩組觸摸感測器 API：

• touchRead(pin)：直接讀取觸摸感測器原始計數值（阻塞式）
• touchAttachInterrupt(pin, callback, threshold)：設定觸摸中斷（非阻塞）

觸摸腳位對應：

Arduino 程式設計

基礎讀取：touchRead()

// ESP32 觸摸感測器基礎讀取
#define TOUCH_PIN T0  // GPIO 4

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("ESP32 Touch Sensor Demo");
    Serial.println("將手指碰觸 GPIO 4 觀察數值變化");
}

void loop() {
    int touchVal = touchRead(TOUCH_PIN);
    Serial.printf("Touch Value: %d
", touchVal);

    if (touchVal < 300) {
        Serial.println(">> Touch detected! <<");
    } else if (touchVal < 450) {
        Serial.println("> Proximity detected <");
    }

    delay(100);
}

觸摸中斷（非阻塞）

// ESP32 觸摸中斷範例
#define TOUCH_PIN T0  // GPIO 4
#define THRESHOLD 300 // 觸摸閾值（小於此值表示觸摸）
#define LED_PIN   2   // 內建 LED

volatile bool touched = false;

void IRAM_ATTR touchISR() {
    touched = true;
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

    // 附加中斷：數值低於 threshold 時觸發
    touchAttachInterrupt(TOUCH_PIN, touchISR, THRESHOLD);
    Serial.println("Touch interrupt enabled, touch GPIO 4...");
}

void loop() {
    if (touched) {
        touched = false;
        Serial.printf("Touch! Value: %d
", touchRead(TOUCH_PIN));

        digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN));  // 切換 LED
        delay(50);  // 簡單去彈跳
    }

    // 主程式可以做其他工作
    delay(10);
}

多重觸摸按鈕

// ESP32 多重觸摸按鈕：T0 (GPIO4), T2 (GPIO2), T3 (GPIO15)
#define TOUCH_BTN1 T0
#define TOUCH_BTN2 T2
#define TOUCH_BTN3 T3
#define THRESHOLD 350

struct TouchButton {
    uint8_t pin;
    uint8_t touchChannel;
    bool state;       // 目前是否被觸摸
    bool lastState;
    unsigned long lastDebounce;
};

TouchButton buttons[3] = {
    {TOUCH_BTN1, 0, false, false, 0},
    {TOUCH_BTN2, 2, false, false, 0},
    {TOUCH_BTN3, 3, false, false, 0},
};

void processTouch(TouchButton* btn) {
    int val = touchRead(btn->pin);
    bool currentlyTouched = (val < THRESHOLD);

    // 去彈跳
    if (currentlyTouched != btn->lastState) {
        btn->lastDebounce = millis();
    }

    if ((millis() - btn->lastDebounce) > 50) {
        if (currentlyTouched != btn->state) {
            btn->state = currentlyTouched;
            if (btn->state) {
                Serial.printf("Button on T%d pressed! (value=%d)
",
                    btn->touchChannel, val);
            }
        }
    }
    btn->lastState = currentlyTouched;
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("Multi-touch button demo");
}

void loop() {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        processTouch(&buttons[i]);
    }
    delay(10);
}

觸摸感測器濾波與適應性基準線

// 適應性觸摸閾值（自動校準基準線）
class AdaptiveTouch {
private:
    uint8_t _pin;
    int _baseline;
    int _threshold;
    int _smoothVal;
    float _alpha;  // 濾波係數 0.0~1.0

public:
    AdaptiveTouch(uint8_t pin, int thresholdDelta = 100, float alpha = 0.1) {
        _pin = pin;
        _thresholdDelta = thresholdDelta;
        _alpha = alpha;
        _baseline = 0;
        _smoothVal = 0;
    }

    void calibrate(int samples = 20) {
        long sum = 0;
        for (int i = 0; i < samples; i++) {
            sum += touchRead(_pin);
            delay(10);
        }
        _baseline = sum / samples;
        _smoothVal = _baseline;
        _threshold = _baseline - _thresholdDelta;
        Serial.printf("Calibrated: baseline=%d, threshold=%d
",
            _baseline, _threshold);
    }

    bool isTouched() {
        int raw = touchRead(_pin);

        // 指數移動平均濾波
        _smoothVal = _alpha * raw + (1 - _alpha) * _smoothVal;

        // 如果不處於觸摸狀態，緩慢更新基準線（適應環境變化）
        if (_smoothVal > _baseline - _thresholdDelta/2) {
            _baseline = _alpha * _smoothVal + (1 - _alpha) * _baseline;
            _threshold = _baseline - _thresholdDelta;
        }

        return (_smoothVal < _threshold);
    }

    int getSmooth() { return _smoothVal; }
    int getBaseline() { return _baseline; }
};

觸摸中斷時序與狀態機

Deep Sleep 觸摸喚醒

ESP32 最大的優勢之一是在 Deep Sleep 模式下，觸摸感測器仍可以喚醒主 CPU，功耗僅 10~50 uA。

// ESP32 Deep Sleep 觸摸喚醒範例
// 觸摸 GPIO 4 (T0) 喚醒 ESP32
#define TOUCH_WAKE_PIN T0  // GPIO 4
#define WAKE_THRESHOLD 300

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    delay(100);

    // 檢查是什麼原因喚醒
    esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();
    if (cause == ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCH) {
        Serial.println("=== 觸摸喚醒！===");
        Serial.printf("Touch value: %d
", touchRead(TOUCH_WAKE_PIN));
    } else {
        Serial.println("=== 正常開機 ===");
        // 首次開機，校準觸摸閾值
        int baseline = 0;
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            baseline += touchRead(TOUCH_WAKE_PIN);
            delay(10);
        }
        baseline /= 10;
        Serial.printf("Baseline: %d
", baseline);

        // 設定觸摸喚醒閾值
        touchSleepWakeUpEnable(TOUCH_WAKE_PIN, WAKE_THRESHOLD);
    }

    // 正常工作 5 秒後進入 Deep Sleep
    Serial.println("Active for 5 seconds then sleep...");
    delay(5000);
    Serial.println("Entering Deep Sleep. Touch GPIO 4 to wake!");

    // 進入 Deep Sleep
    esp_deep_sleep_start();
}

void loop() {
    // 永不執行
}

觸摸喚醒 + 定時喚醒（雙重喚醒源）

// ESP32 雙重喚醒源：觸摸按鈕 或 定時器
#define TOUCH_WAKE_PIN T0
#define WAKE_THRESHOLD 350
#define SLEEP_SECONDS 3600  // 1 小時

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    // 設定觸摸喚醒
    touchSleepWakeUpEnable(TOUCH_WAKE_PIN, WAKE_THRESHOLD);

    // 設定定時喚醒
    esp_sleep_enable_timer_wakeup(SLEEP_SECONDS * 1000000ULL);

    // 檢查喚醒源
    esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();
    if (cause == ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCH) {
        Serial.println("觸摸按鈕喚醒 — 執行互動工作");
        // 例如：發送 HTTP 請求、顯示畫面
    } else if (cause == ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER) {
        Serial.println("定時喚醒 — 執行定期上報");
        // 例如：上傳感測器資料
    }

    // 工作完成後再次睡眠
    Serial.println("Work done, sleeping again...");
    esp_deep_sleep_start();
}

觸摸滑桿（Slider）實作

// ESP32 觸摸滑桿：使用 3 個觸摸通道實現線性滑桿
#define TCH_A T0   // GPIO 4
#define TCH_B T2   // GPIO 2
#define TCH_C T3   // GPIO 15

// 滑桿位置插值
float calculateSliderPos(int valA, int valB, int valC) {
    // 將觸摸值反轉為「接近度」（越小 = 越接近）
    float proxA = max(0, 500 - valA);
    float proxB = max(0, 500 - valB);
    float proxC = max(0, 500 - valC);

    float total = proxA + proxB + proxC;
    if (total < 10) return -1.0;  // 沒有觸摸

    // 加權平均計算位置 (0.0 ~ 1.0)
    float pos = (proxA * 0.0 + proxB * 0.5 + proxC * 1.0) / total;
    return pos;
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
}

void loop() {
    int va = touchRead(TCH_A);
    int vb = touchRead(TCH_B);
    int vc = touchRead(TCH_C);

    float pos = calculateSliderPos(va, vb, vc);
    if (pos >= 0) {
        Serial.printf("Slider: %.2f  [A=%d B=%d C=%d]
", pos, va, vb, vc);
    }
    delay(50);
}

近距離感測（Proximity）

// ESP32 近距離感測：大面積電極（如銅箔）可感測 5~15 cm 內的人手
#define PROX_PIN T0

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    // Proximity 模式不需要特殊設定，只需降低閾值靈敏度
}

void loop() {
    int val = touchRead(PROX_PIN);
    Serial.printf("Proximity: %d
", val);

    if (val < 350) {
        Serial.println(">> Hands detected! <<");
    } else if (val < 450) {
        Serial.println("-> Approaching...");
    }

    delay(200);
}

ESP-IDF 直接操作

// ESP-IDF 觸摸感測器底層 API
#include "driver/touch_pad.h"

#define TOUCH_PAD T0

void setup() {
    // 初始化觸摸 pad
    touch_pad_init();
    // 設定觸摸通道
    touch_pad_config(TOUCH_PAD);

    // 設定濾波參數
    touch_pad_filter_start(10);  // 取樣視窗大小

    // 設定中斷閾值
    touch_pad_set_thresh(TOUCH_PAD, 300);
    touch_pad_isr_register(touchISR, NULL);
    touch_pad_intr_enable();
}

void loop() {
    uint16_t touchVal;
    touch_pad_read_raw_data(TOUCH_PAD, &touchVal);
    printf("Touch raw: %u
", touchVal);

    uint16_t filteredVal;
    touch_pad_read_filtered(TOUCH_PAD, &filteredVal);
    printf("Touch filtered: %u
", filteredVal);
}

實務注意事項

• 參考電容：觸摸腳位與 GND 之間可並聯 10pF 電容，減少外部雜訊干擾
• 絕緣層：可穿透 1~5mm 塑膠或玻璃面板（不需要開孔），建議 PCB 銅箔面積 10x10mm 以上
• 防水：表面使用防水塗層（如三防漆），或使用密封外殼
• 環境漂移：溫度、濕度、灰塵會改變基準線，建議使用適應性濾波器定期校準
• 電源雜訊：Wi-Fi 發射時可能干擾觸摸感測器（高功率射頻耦合），可在觸摸腳位加 RC 濾波
• 多通道串擾：相鄰觸摸通道之間建議保留至少 2mm 間距，減少寄生電容耦合
• ESP32-S2/S3：可使用任何 GPIO 作為觸摸通道（最多 14 通道）

應用案例

總結

ESP32 內建的電容式觸摸感測器是 IoT 互動設計的利器，無需額外 IC 即可實現觸控按鈕、滑桿、近距離感測和超低功耗喚醒。正確的電極設計和適應性濾波演算法是穩定運作的關鍵。

選型參考：

• 簡單觸控開關：1 通道 + touchRead() + 閾值判斷（最簡）
• 多按鈕面板：3~5 通道 + touchAttachInterrupt() + 去彈跳
• 類比式滑桿/滾輪：3~8 通道 + 加權插值
• 低功耗喚醒：1 通道 + Deep Sleep + touchSleepWakeUpEnable()
• 隔空感測：大面積電極 + 適應性濾波 + 高靈敏度