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?？傠娙莞袘?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，再計算到達這個閾值時的周期數(shù)。在任意采樣點n，Cx上的電壓值為：