一种非接触式电容感应开关设计与实现

时间:2022-02-15 06:07:25

一种非接触式电容感应开关设计与实现

摘 要:基于电容感应开关特性,采用将被测电容转换成微处理器可直接处理的二进制数字信号,克服了传统易受寄生电容和电源电压稳定性不足的影响,并且通过对电容感应式开关设计中存在的高频噪声、温度、湿度及其他外界因素的分析和处理,大大提高了开关的稳定行和精确性,实现了一种具有功耗低,稳定、结构简单的非接触式电容式感应开关。

关键词:非接触; 电容式; 感应开关; 噪声

中图分类号:TN710-34文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2011)21-0196-03

Design of Non-contact Capacitive Induction Switch

JIANG Xian-shen, LIU Zhen, YU Ji-tao

(China Hualu Panasonic AVC Networks Co. Ltd., Dalian 116023, China )

Abstract: A non-contact capacitive induction switch with low power consumption and simple structure was designed based on the characteristics of capacitive induction switch. The design converted capacitance into binary digital signal which could be processed by microprocessor, overcame the influence of parasitic capacitance and unstable power supply,processed high frequency noise, temperature and humidity existed in the capacitive induction switch design, and improved stability and accuracy of the switch.

Keywords: non-contact; capacitance; inductive switch; noise

非接触感应技术已在汽车(无钥匙进入)、消费电子(自动背光、开关的控制)等领域得到广泛的应用,因其具有耐用性、成本低和结构简单等优势,已逐渐替代各种机械按键、开关。本文采用SMSC生产的CAP1166芯片,实现了非接触式、稳定可靠、结构简单的电容式感应开关设计。

1 非接触式电容感应工作原理

电容式感应主要原理是当被检测物体靠近接近开关工作面时,回路的电容量发生变化,使得与之相连的振荡器频率发生变化,通过测量频率变化来控制开与关的作用,从而检测物体的有或无\[1\]。

电容开关是一对相邻电极,在电极之间有很小的电容。当一个导体接近两个电极时,在电极与导体之间会产生一个耦合电容。在这里,手指就是这个导体。通常电容开关的形式是一边接地的电容,导体的存在增加了开关到地之间的电容。检测是否有手指靠近,也就是检测是否有按键按下,通过检测电容的变化来判断。┆Cp是感应的电容,它的值随着电极材料上所加导体而改变。总电容感应等效回路如图1所示\[4\]。

其中,手和电极之间的电容Cfe约为0.1~10 pF;人体本身的电容Ch约为100~300 pF;PCB板本身Cmod和Cx上总的电荷转换波形

当手指靠近时,Cmod变成电极感应电容和手指接近产生的耦合电容之和CF+mod,所以Cx充电到阈值VTH的速度更快,充放电周期数n也就更小:

И

这样,检测手是否按下就简化成了检测周期数的变化率Δn=n-nF+mod,当Δn>nTH时手指靠近\[7\]。

2 电容式非接触开关的设计与实现

2.1 电容式非接触开关的硬件电路设计

实现的电容式非接触按键的硬件电路如图4所示。该设计中,通过SMSC生产的CAP1166芯片循环检测感应电极的状态,以判断是否有物体靠近。该系统的硬件设计非常简单,感应电极不需要附加任何元器件。I/O口CS1~CS6可以连接6个按键感应电极,芯片通过内部硬件配置和软件算法,对感应电极上是否有手靠近进行检测\[8\]。

2.2 电容式非接触开关的软件实现

非接触按键的检测,必须通过比较器、充电电流源和复位开关组成一个张弛振荡器,以此对按键电极电容充放电,如图6所示。非接触式感应按键的实现过程为:首先设置I/O口的输出驱动模式,开始扫描按键,把按键连接到模拟多通道输入口,使能振荡器。当Cmod上的电压线性增加到阈值时,比较器输出高电平。刷新定时器和PWM的周期数,重设计数值,置完成标志位。当扫描完成,停止PWM,定时器中断服务完成。最后根据电容感应原理,计算出定时器的周期数来判断是否有按键按下。在该设计中,选取Cx值,使充放电周期数n=1 000次时,Vx到达VTH。当检测到nF+modnTH=200时,认为有键按下\[9\]。

调制器的计数器通过一个IIR滤波器,形成一个参考计数即基准,通过选择IIR滤波器的响应函数,可以把瞬时计数的高频噪声屏蔽掉,但温度,湿度以及其他因素导致的缓慢变化可以被追踪下来。如果瞬时计数和基准计数间的差值超过了一定的阈值,固件就会发出接近行为的报告,LED灯亮。下面为实现的C程序代码\[10\]:

Unsigned int RawCounts;

Unsigned int Baseline;

Unsigned int Difference;

#define THRESHOLD 100

#define HYSTERISTS 5

Void main(void)

{

InitHardware();

While(1)

{RawCounts=ReadCSD();

Baseline=LowPassFilter(RawCounts);

Difference=RawCounts-Baseline;

If9Difference>THRESHOLD)

{

LED_on();

}

Else if(Difference

{LED_off();

}

Debug_DumpData();

}

2.3 噪声及外界因素影响处理

2.3.1 噪声

影响有效感应范围和可靠性的最突出因素是噪声。系统的噪声源很多,包括开关信号噪声、供电耦合噪声、参考信号噪声、电磁干扰噪声和射频干扰噪声等。该SMSC生产的CAP1166芯片对噪声有一定的处理,在硬件电路使用非耦合电容、隔离数字地和模拟地,将高频信号远离CAP1166,并选定触发阈值,可以有效降低噪声影响。

2.3.2 温度、湿度以及其他外界因素

感应电容会因温度、湿度等外界因素产生偏移,会导致错误触发。在此可以通过使用IIR型滤波器建立一个基准来自动处理。

3 结 语

本文通过对高频噪声、温度、湿度及其他外部因素的处理,实现了稳定、灵敏的非接触电容感应开关的设计,可以广泛地应用在相关的各种领域。

参考文献

[1]周志永,胡建人.低成本电容式触摸按键设计[J].机电工程,2011(3):365-368.

[2]PERME Thomas.电容触摸传感的理论框架[J].电子产品世界,2009(8):9-11.

[3]BAXTER Larry K.电容式传感器[M].\[S.l.\]:IEEE Press,1995.

[4]方献良.基于A/D的电容触摸按键电路设计[J].宁波大学学报:理工版,2010(3):122-125.

[5]王永.Microchip触摸感应技术方案设计[J].电子产品世界,2009(12):66.

[6]房慧敏,朱泊申,李东光.基于开关电容技术的一种电容式传感器测量电路[J].电测与仪表,2005(2):24-27.

[7]王秀霞,邵斌.基于电场传感器MC33794的触摸按键设计[J].电子设计工程,2009(2):100-101.

[8]低韩俊,戎蒙恬.低成本电容式触摸控制设计[J].信息技术,2006(8):42-45.

[9]KRUMMENTACHER Fracois. A high resolution capacitance to frequency converter \[J\]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1985, 20(3): 666-670.

[10]梅永,王柏林.可编程片上系统(PSoC)的基本原理及其在电能计量中的应用[J].电测与仪表,2004(11):39-43.

作者简介:

姜先申 男,1980年出生,大连人,硕士,电子工程师。主要研究方向为电子设计。

刘 震 男,1977年出生,大连人,硕士,电子工程师。主要研究方向为电子设计。

于继涛 男,1971年出生,大连人,高级工程师。主要研究方向为机械设计。

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