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

    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。
    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。

    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板本身的电容Cb约为10～20 pF；人体和P板之间的电容Cbh约为1～20pF。
    在检测周期开始，通过一个复位开关把Cx上的电荷全部放掉。然后通过单刀双向开关使Cmod工作在非重迭的周期上。在第一半周，Cmod连接到VDD充电。当Cmod上的电荷以由Cmod值决定的速度充到VDD时，开关断开，然后把开关连接到Cx，Cmod上的电荷转移到Cx中。
    图2中，因为Cx的电容值比Cmod大得多，所以Cmod上的电压值在充电的每一周期内只有微小的增加。这个Cmod到Cx上的电荷转换周期重复许多次，以使Cx上积累到一个大的信号，当连接到VDD时，电容Cmod上的电荷为：
    Q=CV     (1)
    不是Cmod上的所有电荷都转移到Cx中。当Cmod上的电压跌落到Cx上的预存电压时，转换便不再进行。为检测感应的电容值是否有改变，可通过Cmod-Cx的充放电方式，把Cx充到固定的阈值VTR，再计算到达这个阈值时的周期数。在任意采样点n，Cx上的电压值为：
   
    图3所示为充放电115 ms后的电荷转换波形。

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

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。

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5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=1000次时，Vx到达VTH。当检测到nF+mod<800，即△n>nTH=200时，认为有键按下。
    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：
   
   
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。