一種非接觸式電容感應(yīng)開關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：基于電容感應(yīng)開關(guān)特性，采用將被測電容轉(zhuǎn)換成微處理器可直接處理的二進(jìn)制數(shù)字信號，克服了傳統(tǒng)易受寄生電容和電源電壓穩(wěn)定性不足的影響，并且通過對電容感應(yīng)式開關(guān)設(shè)計中存在的高頻噪聲、溫度、濕度及其他外界因素的分析和處理，大大提高了開關(guān)的穩(wěn)定行和精確性，實現(xiàn)了一種具有功耗低，穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單的非接觸式電容式感應(yīng)開關(guān)。
關(guān)鍵詞：非接觸；電容式；感應(yīng)開關(guān)；噪聲

    非接觸感應(yīng)技術(shù)已在汽車(無鑰匙進(jìn)入)、消費電子(自動背光、開關(guān)的控制)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，因其具有耐用性、成本低和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，已逐漸替代各種機(jī)械按鍵、開關(guān)。本文采用SMSC生產(chǎn)的CAP1166芯片，實現(xiàn)了非接觸式、穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單的電容式感應(yīng)開關(guān)設(shè)計。

1 非接觸式電容感應(yīng)工作原理
    電容式感應(yīng)主要原理是當(dāng)被檢測物體靠近接近開關(guān)工作面時，回路的電容量發(fā)生變化，使得與之相連的振蕩器頻率發(fā)生變化，通過測量頻率變化來控制開與關(guān)的作用，從而檢測物體的有或無。
    電容開關(guān)是一對相鄰電極，在電極之間有很小的電容。當(dāng)一個導(dǎo)體接近兩個電極時，在電極與導(dǎo)體之間會產(chǎn)生一個耦合電容。在這里，手指就是這個導(dǎo)體。通常電容開關(guān)的形式是一邊接地的電容，導(dǎo)體的存在增加了開關(guān)到地之間的電容。檢測是否有手指靠近，也就是檢測是否有按鍵按下，通過檢測電容的變化來判斷。Cp是感應(yīng)的電容，它的值隨著電極材料上所加導(dǎo)體而改變。總電容感應(yīng)等效回路如圖1所示。

    其中，手和電極之間的電容Cfe約為0．1～10 pF；人體本身的電容Ch約為100～300 pF；PCB板本身的電容Cb約為10～20 pF；人體和P板之間的電容Cbh約為1～20pF。
    在檢測周期開始，通過一個復(fù)位開關(guān)把Cx上的電荷全部放掉。然后通過單刀雙向開關(guān)使Cmod工作在非重迭的周期上。在第一半周，Cmod連接到VDD充電。當(dāng)Cmod上的電荷以由Cmod值決定的速度充到VDD時，開關(guān)斷開，然后把開關(guān)連接到Cx，Cmod上的電荷轉(zhuǎn)移到Cx中。
    圖2中，因為Cx的電容值比Cmod大得多，所以Cmod上的電壓值在充電的每一周期內(nèi)只有微小的增加。這個Cmod到Cx上的電荷轉(zhuǎn)換周期重復(fù)許多次，以使Cx上積累到一個大的信號，當(dāng)連接到VDD時，電容Cmod上的電荷為：
    Q=CV     (1)
    不是Cmod上的所有電荷都轉(zhuǎn)移到Cx中。當(dāng)Cmod上的電壓跌落到Cx上的預(yù)存電壓時，轉(zhuǎn)換便不再進(jìn)行。為檢測感應(yīng)的電容值是否有改變，可通過Cmod-Cx的充放電方式，把Cx充到固定的閾值VTR，再計算到達(dá)這個閾值時的周期數(shù)。在任意采樣點n，Cx上的電壓值為：
   
    圖3所示為充放電115 ms后的電荷轉(zhuǎn)換波形。

    當(dāng)手指靠近時，Cmod變成電極感應(yīng)電容和手指接近產(chǎn)生的耦合電容之和CF+mod，所以Cx充電到閾值VTH的速度更快，充放電周期數(shù)n也就更?。?br />    
    這樣，檢測手是否按下就簡化成了檢測周期數(shù)的變化率△n=n-nF+mod，當(dāng)△n>nTH時手指靠近。

2 電容式非接觸開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 電容式非接觸開關(guān)的硬件電路設(shè)計
    實現(xiàn)的電容式非接觸按鍵的硬件電路如圖4所示。該設(shè)計中，通過SMSC生產(chǎn)的CAP1166芯片循環(huán)檢測感應(yīng)電極的狀態(tài)，以判斷是否有物體靠近。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計非常簡單，感應(yīng)電極不需要附加任何元器件。I／O口CS1～CS6可以連接6個按鍵感應(yīng)電極，芯片通過內(nèi)部硬件配置和軟件算法，對感應(yīng)電極上是否有手靠近進(jìn)行檢測。

2．2 電容式非接觸開關(guān)的軟件實現(xiàn)
    非接觸按鍵的檢測，必須通過比較器、充電電流源和復(fù)位開關(guān)組成一個張弛振蕩器，以此對按鍵電極電容充放電，如圖5所示。非接觸式感應(yīng)按鍵的實現(xiàn)過程為：首先設(shè)置I／O口的輸出驅(qū)動模式，開始掃描按鍵，把按鍵連接到模擬多通道輸入口，使能振蕩器。當(dāng)Cmod上的電壓線性增加到閾值時，比較器輸出高電平。刷新定時器和PWM的周期數(shù)，重設(shè)計數(shù)值，置完成標(biāo)志位。當(dāng)掃描完成，停止PWM，定時器中斷服務(wù)完成。最后根據(jù)電容感應(yīng)原理，計算出定時器的周期數(shù)來判斷是否有按鍵按下。在該設(shè)計中，選取Cx值，使充放電周期數(shù)n=1000次時，Vx到達(dá)VTH。當(dāng)檢測到nF+mod<800，即△n>nTH=200時，認(rèn)為有鍵按下。
    調(diào)制器的計數(shù)器通過一個IIR濾波器，形成一個參考計數(shù)即基準(zhǔn)，通過選擇IIR濾波器的響應(yīng)函數(shù)，可以把瞬時計數(shù)的高頻噪聲屏蔽掉，但溫度，濕度以及其他因素導(dǎo)致的緩慢變化可以被追蹤下來。如果瞬時計數(shù)和基準(zhǔn)計數(shù)間的差值超過了一定的閾值，固件就會發(fā)出接近行為的報告，LED燈亮。下面為實現(xiàn)的C程序代碼：
   
   
2．3 噪聲及外界因素影響處理
2．3．1 噪聲
    影響有效感應(yīng)范圍和可靠性的最突出因素是噪聲。系統(tǒng)的噪聲源很多，包括開關(guān)信號噪聲、供電耦合噪聲、參考信號噪聲、電磁干擾噪聲和射頻干擾噪聲等。該SMSC生產(chǎn)的CAP1166芯片對噪聲有一定的處理，在硬件電路使用非耦合電容、隔離數(shù)字地和模擬地，將高頻信號遠(yuǎn)離CAP1166，并選定觸發(fā)閾值，可以有效降低噪聲影響。
2．3．2 溫度、濕度以及其他外界因素
    感應(yīng)電容會因溫度、濕度等外界因素產(chǎn)生偏移，會導(dǎo)致錯誤觸發(fā)。在此可以通過使用IIR型濾波器建立一個基準(zhǔn)來自動處理。

3 結(jié)語
    本文通過對高頻噪聲、溫度、濕度及其他外部因素的處理，實現(xiàn)了穩(wěn)定、靈敏的非接觸電容感應(yīng)開關(guān)的設(shè)計，可以廣泛地應(yīng)用在相關(guān)的各種領(lǐng)域。