一种非接触式电容感应开关设计与实现

  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。

  [page]  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：
    

    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。

[page]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。