消費(fèi)電子設(shè)備現(xiàn)已成為日常生活的一部分。移動(dòng)電話(huà)稀有、PDA 只能由少數(shù)人買(mǎi)得起的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。隨著這些嵌入式電子設(shè)備變得無(wú)處不在，此類(lèi)設(shè)備的制造商正在尋找新的方法來(lái)封裝更多特性和功能，以增強(qiáng)其可用性并在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。

接近感應(yīng)是許多嵌入式設(shè)備中的一項(xiàng)此類(lèi)功能。嵌入式設(shè)備領(lǐng)域的接近傳感是檢測(cè)電子設(shè)備附近是否存在人類(lèi)手指或手。接近傳感的這一特性正在被眾多行業(yè)的各種應(yīng)用所采用。

接近傳感的使用

接近傳感在手持式電池供電設(shè)備行業(yè)中得到了直接采用。該功能見(jiàn)于的手機(jī)和音??樂(lè)播放器中。這些設(shè)備中接近感應(yīng)的主要功能是省電。

只要音樂(lè)播放器或手機(jī)上未檢測(cè)到有人手指或手靠近，其 LCD 顯示屏就會(huì)保持關(guān)閉狀態(tài)。由于顯示器處于關(guān)閉狀態(tài)，只有 CPU 從電池獲取電力，而不會(huì)消耗電力來(lái)驅(qū)動(dòng) LCD 顯示器。

一旦設(shè)備檢測(cè)到人手的存在，顯示屏就會(huì)亮起，顯示當(dāng)前正在播放的歌曲或呼叫者信息。平均功耗因此降低，從而延長(zhǎng)電池壽命。

接近傳感已成為家庭自動(dòng)化的常見(jiàn)功能。它用于通過(guò)在其前面揮動(dòng)手來(lái)打開(kāi)臺(tái)燈。當(dāng)手放在水龍頭下面時(shí)，水龍頭就會(huì)打開(kāi)。

只要用戶(hù)不在其附近，帶有顯示屏的微波爐和冰箱就會(huì)保持空白。當(dāng)用戶(hù)靠近它時(shí)，顯示屏和燈光就會(huì)打開(kāi)。新的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)也采用了此功能。用于照明和電器控制的觸摸屏顯示器被配置為在正常情況下充當(dāng)數(shù)碼相框。

一旦有人靠近它，它就會(huì)將顯示內(nèi)容更改為控制面板，并照亮隱藏的觸摸傳感器按鈕。如果檢測(cè)到門(mén)把手或窗玻璃附近有未經(jīng)授權(quán)的存在，接近感應(yīng)還可以通過(guò)發(fā)出警報(bào)來(lái)確保安全。將這一想法擴(kuò)展到構(gòu)建更智能的器具和電器。

當(dāng)手靠近時(shí)，可以通過(guò)改變表面顏色來(lái)指示內(nèi)部液體溫度的器具。這可以避免兒童在廚房周?chē)粐?yán)重?zé)齻?。浴缸在你把腳放進(jìn)去之前就可以警告你水太冷了。

汽車(chē)行業(yè)可以采用接近傳感技術(shù)來(lái)打造更智能的汽車(chē)。想象一下，一輛汽車(chē)能夠感應(yīng)到駕駛員在其附近，并在他接近把手時(shí)為他解鎖車(chē)門(mén)。除此之外，它還會(huì)根據(jù)車(chē)內(nèi)溫度打開(kāi)點(diǎn)火裝置、空調(diào)或加熱器。當(dāng)駕駛員的手靠近時(shí)，如果手柄或變速桿太熱，汽車(chē)會(huì)發(fā)出警告。

如果它檢測(cè)到駕駛員的手靠近卡迪德，它還可以指示駕駛員卡迪德上的旋鈕或按鈕是什么。就在年輕人認(rèn)為汽車(chē)無(wú)法變得更加智能時(shí)，接近傳感等新興技術(shù)正在突破極限。

接近感應(yīng)用于顯示鍵盤(pán)中隱藏的觸摸感應(yīng)按鈕。老鼠保持睡眠模式，直到它檢測(cè)到一只手的存在。然后它會(huì)醒來(lái)，打開(kāi)無(wú)線(xiàn)電與 PC 配對(duì)并準(zhǔn)備好運(yùn)行。這可以延長(zhǎng)電池壽命?；诮咏鹊陌粹o可以取代機(jī)械按鈕來(lái)在筆記本電腦關(guān)閉時(shí)打開(kāi)筆記本電腦。這可以擴(kuò)展到包括冰箱門(mén)、微波爐和手機(jī)。

接近感測(cè)方法

存在多種技術(shù)來(lái)執(zhí)行接近感測(cè)，包括電阻式、電感式、電容式、光學(xué)、聲學(xué)和視覺(jué)方法。這些技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。選擇哪一種取決于具體應(yīng)用、成本和可用性。本文將討論如何實(shí)現(xiàn)電容式接近傳感器。

圖 1：電容式傳感元件

要了解電容式接近感應(yīng)的工作原理，請(qǐng)考慮如圖所示的電容式感應(yīng)元件的橫截面（上圖 1）。導(dǎo)電銅區(qū)域和導(dǎo)電傳感器位于覆蓋材料下方。兩個(gè)彼此靠近的導(dǎo)電元件會(huì)產(chǎn)生稱(chēng)為寄生電容的電容。

寄生電容是由傳感器墊和接地層的耦合產(chǎn)生的。寄生電容通常為 10pF 至 300pF 左右。傳感器和接地面的接近也會(huì)產(chǎn)生穿過(guò)覆蓋層的邊緣電場(chǎng)。

當(dāng)像人手指這樣的導(dǎo)電物體靠近邊緣電場(chǎng)時(shí)（下圖 2），它會(huì)向電容系統(tǒng)增加導(dǎo)電表面積。系統(tǒng)總電容的這種變化用于檢測(cè)電容傳感器元件附近是否存在手指。

圖2：當(dāng)手指靠近時(shí)，傳感器的總電容發(fā)生變化

檢測(cè)和測(cè)量電容變化

接近傳感器的精度和可靠性取決于對(duì)系統(tǒng)電容變化的準(zhǔn)確測(cè)量。存在許多相同的方法。常用的測(cè)量方法有電荷轉(zhuǎn)移法、逐次逼近法、Sigma-Delta 法和互電容測(cè)量法，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

目前電容式傳感 IC 上更常用的技術(shù)是逐次逼近 (CSA) 和 Sigma-Delta (CSD)。兩種方法均使用開(kāi)關(guān)電容器電路并使用外部修改電容器 (CMod)。

在 CSA 方法中（如下圖 3），開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)對(duì) CMod 進(jìn)行充電。然后，CMod 上的電壓通過(guò)低通濾波器進(jìn)入比較器，與參考電壓進(jìn)行比較。由振蕩器計(jì)時(shí)的計(jì)數(shù)器由比較器的輸出選通，比較器的輸出被處理以確定傳感器的狀態(tài)。CSA 需要很少的外部元件。它也不受電源瞬變的影響。

圖3：CSA框圖

在 CSD 方法中（下圖 4），開(kāi)關(guān)電容器輸入級(jí)包含傳感器電容器 CX。開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)位于 VDD 和 CMod 電壓之間。偽隨機(jī)發(fā)生器控制開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)頻率。CMod 不斷充電和放電。

當(dāng)比較器跳閘時(shí)，泄放電阻器開(kāi)關(guān)閉合，對(duì) CMod 放電，直到新值存儲(chǔ)在同步鎖存器中。然后鎖存器的位流輸出與 PWM 進(jìn)行“與”運(yùn)算并啟用計(jì)數(shù)器。

圖4：CSD框圖

處理計(jì)數(shù)器的輸出以確定傳感器的狀態(tài)。CSD 非常適合白色家電、工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用，因?yàn)樗蝗菀资艿诫姶鸥蓴_和輻射發(fā)射的影響。

電容式接近傳感：優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

電容式接近傳感相對(duì)于其他傳感方法的一些優(yōu)點(diǎn)包括：

1)手指存在檢測(cè)范圍相當(dāng)高（使用外部天線(xiàn)傳感器時(shí)為 30 厘米以上，不使用天線(xiàn)時(shí)為 10 厘米以上）。

2) 靈敏度高于電阻式或電感式等傳感方法。

3)價(jià)格便宜，因?yàn)閭鞲衅骺梢杂貌煌慕橘|(zhì)構(gòu)建，例如銅、外部線(xiàn)傳感器、ITO 和印刷油墨。

4) 元件尺寸

5) 溫度穩(wěn)定性

6)設(shè)計(jì)靈活性。

7) 耐環(huán)境因素：水、溫度、濕度。

8) 適用于各種不同厚度的非導(dǎo)電覆蓋材料，例如玻璃。

9） 由于它們可以替代機(jī)械部件，因此具有高可靠性和耐用性。

但應(yīng)該考慮一些潛在的缺點(diǎn)，包括：

1) 感測(cè)元件必須是導(dǎo)電的。這使得它能夠很好地檢測(cè)附近的人體組織。然而，當(dāng)用戶(hù)戴著橡膠手套時(shí)，它可能無(wú)法檢測(cè)到手靠近它。

2） 當(dāng)導(dǎo)電物體保持在傳感器附近時(shí)，系統(tǒng)終可以重新計(jì)算其寄生電容，以包括手在其附近感應(yīng)的電容。這可能會(huì)導(dǎo)致未來(lái)的錯(cuò)誤檢測(cè)。然而，這可以通過(guò)軟件輕松解決。

3) 當(dāng)傳感器附近存在金屬物體時(shí)，電容式接近感應(yīng)的檢測(cè)范圍會(huì)急劇減小。下面詳細(xì)介紹了解決該問(wèn)題的方法。

存在金屬物體時(shí)增加檢測(cè)距離存在

金屬物體時(shí)，電容式接近檢測(cè)的范圍會(huì)減少近 15 倍。其主要原因是金屬物體增加了傳感器的雜散電容。

這種雜散電容通過(guò)提供更高的滿(mǎn)量程范圍來(lái)降低接近響應(yīng)值。這通常需要降低工作頻率，進(jìn)而縮短檢測(cè)距離。接地金屬平面還捕獲部分傳感器電場(chǎng)并減少增加的手指電容。

由于大多數(shù)白色家電都有金屬外殼，因此此功能可能不利于此類(lèi)設(shè)計(jì)。然而，通過(guò)在接近檢測(cè)傳感器和金屬物體之間放置屏蔽電極來(lái)減小金屬表面對(duì)傳感器的影響，其中屏蔽電極具有與傳感器相同的電勢(shì)。這是解決該問(wèn)題的一個(gè)相當(dāng)有效的方法。

結(jié)論 事實(shí)證明，

除了功能上的實(shí)用性之外，在消費(fèi)電子設(shè)備中使用接近傳感還可以為設(shè)備增添“酷”感。讓您的新設(shè)計(jì)在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)可能是值得考慮的。