一種非接觸式電容感應開(kāi)關(guān)設計與實(shí)現

摘要：基于電容感應開(kāi)關(guān)特性，采用將被測電容轉換成微處理器可直接處理的二進(jìn)制數字信號，克服了傳統易受寄生電容和電源電壓穩定性不足的影響，并且通過(guò)對電容感應式開(kāi)關(guān)設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(kāi)關(guān)的穩定行和精確性，實(shí)現了一種具有功耗低，穩定、結構簡(jiǎn)單的非接觸式電容式感應開(kāi)關(guān)。
關(guān)鍵詞：非接觸；電容式；感應開(kāi)關(guān)；噪聲

非接觸感應技術(shù)已在汽車(chē)(無(wú)鑰匙進(jìn)入)、消費電子(自動(dòng)背光、開(kāi)關(guān)的控制)等領(lǐng)域得到廣泛的應用，因其具有耐用性、成本低和結構簡(jiǎn)單等優(yōu)勢，已逐漸替代各種機械按鍵、開(kāi)關(guān)。本文采用SMSC生產(chǎn)的CAP1166芯片，實(shí)現了非接觸式、穩定可靠、結構簡(jiǎn)單的電容式感應開(kāi)關(guān)設計。

1 非接觸式電容感應工作原理
電容式感應主要原理是當被檢測物體靠近接近開(kāi)關(guān)工作面時(shí)，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(guò)測量頻率變化來(lái)控制開(kāi)與關(guān)的作用，從而檢測物體的有或無(wú)。
電容開(kāi)關(guān)是一對相鄰電極，在電極之間有很小的電容。當一個(gè)導體接近兩個(gè)電極時(shí)，在電極與導體之間會(huì )產(chǎn)生一個(gè)耦合電容。在這里，手指就是這個(gè)導體。通常電容開(kāi)關(guān)的形式是一邊接地的電容，導體的存在增加了開(kāi)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(guò)檢測電容的變化來(lái)判斷。Cp是感應的電容，它的值隨著(zhù)電極材料上所加導體而改變?？傠娙莞袘刃Щ芈啡鐖D1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(kāi)始，通過(guò)一個(gè)復位開(kāi)關(guān)把Cx上的電荷全部放掉。然后通過(guò)單刀雙向開(kāi)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Cmod上的電荷以由Cmod值決定的速度充到VDD時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，然后把開(kāi)關(guān)連接到Cx，Cmod上的電荷轉移到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只有微小的增加。這個(gè)Cmod到Cx上的電荷轉換周期重復許多次，以使Cx上積累到一個(gè)大的信號，當連接到VDD時(shí)，電容Cmod上的電荷為：
Q=CV (1)
不是Cmod上的所有電荷都轉移到Cx中。當Cmod上的電壓跌落到Cx上的預存電壓時(shí)，轉換便不再進(jìn)行。為檢測感應的電容值是否有改變，可通過(guò)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(gè)閾值時(shí)的周期數。在任意采樣點(diǎn)n，Cx上的電壓值為：