電荷轉(zhuǎn)移感應(yīng)按鍵設(shè)計(jì)說明書

1、電荷轉(zhuǎn)移感應(yīng)按鍵設(shè)計(jì)說明書摘 要：本文主要講述電容電荷轉(zhuǎn)移理論，并根據(jù)此 理論設(shè)計(jì)電荷轉(zhuǎn)移電路，最終由電荷轉(zhuǎn)移電路與倍壓脈沖發(fā) 生器實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移感應(yīng)按鍵功能。此感應(yīng)按鍵可應(yīng)用于玻 璃、塑料等作為面板的非接觸式人機(jī)操作輸入。關(guān)鍵詞：電荷轉(zhuǎn)移；電容感應(yīng)；容抗；倍壓 中圖分類號(hào)： TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 概述 感應(yīng)技術(shù)正在迅速地成為人機(jī)界面操作的媒介，人們?cè)?應(yīng)用并享受這種全新的技術(shù)所帶來的方便、美觀、無機(jī)械壽 命等好處。本文就個(gè)人研發(fā)的新型感應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)作詳細(xì)說 明。一、電荷轉(zhuǎn)移感應(yīng)按鍵的組成 本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)按鍵模塊有兩部分組成，一部分是共用 的倍壓高頻脈沖發(fā)生器模塊，用于給另一部分電路提供高頻

2、 的脈沖信號(hào)，另一部分是感應(yīng)按鍵能量轉(zhuǎn)移電路模塊。每一 路按鍵采用一個(gè)轉(zhuǎn)移電路模塊，例如產(chǎn)品設(shè)計(jì)兩個(gè)按鍵，那 么只要采用一個(gè)脈沖發(fā)器模塊和兩個(gè)感應(yīng)按鍵能量轉(zhuǎn)移電 路模塊， 再結(jié)合帶 ADC 轉(zhuǎn)換功能的 MCU 即可。在目前電子 產(chǎn)品中 MCU 是不可缺少的一部分，所以設(shè)計(jì)人員并不需要 額外增加 MCU ，就可以完成他的設(shè)計(jì)。二、電荷轉(zhuǎn)移感應(yīng)按鍵的原理 在說明原理之前我們先來了解一下電容，如圖 1 所示： 電壓與 IC 的相量關(guān)系為：其中：XC = 1/ 3 C,稱為容抗，單位為 Q （歐姆），容 抗的倒數(shù)稱為容納 BC = 3 C,單位為S。由（式-1）可見頻 率和容抗成反比， 也就是頻率越高

3、，容抗越小，如圖 2 曲 線所示。3 0 , |XC| a直流開路（隔直）38, |XC| 0高頻短路（旁路作用）我們知道電容器的公式：&為極板與極板之間的介電常數(shù)S 為極板面積d 為極板與極板之間的間距由此我們可以知道任何導(dǎo)體與導(dǎo)體之間都存在電容，如 下圖 3、圖 4 所示每個(gè)電極與電極之間都有一個(gè)很小的電容， 同樣的當(dāng)手指與電極之間也存在電容。手指越靠近電極，根據(jù)電容急 劇增大，當(dāng)然再如何增大，電容值還是很小，約為十個(gè)PF。同時(shí)結(jié)合前面講到的容抗與頻率的關(guān)系，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè) 高頻發(fā)生電路，使電極是一個(gè)相對(duì)手指高頻變化的電壓信 號(hào)，根據(jù)（式 -1 ），手指與電極之間產(chǎn)生電流。 到此我的結(jié)論是：

4、 因?yàn)槭种缚拷姌O， 從而手指與電極之間產(chǎn)生一個(gè)耦合電容，因?yàn)殡娙莸娜菘棺?用使手指與電極之間產(chǎn)生電流，因?yàn)殡娏魇沟秒姌O的電荷發(fā) 生轉(zhuǎn)移，根據(jù)電荷的轉(zhuǎn)移理論，我們?cè)O(shè)計(jì)出感應(yīng)按鍵能量轉(zhuǎn) 移電路模塊。三、倍壓高頻脈沖發(fā)生器如圖5所示，設(shè)剛開始 PULSE電壓為0V，則電源5V 經(jīng)過二極管D2向C4充電。經(jīng)過（t =RC）后，C4電壓為 5?CVD2 （VD2 為二極管 D1 或 D2 PN 結(jié)的正向壓降， 下同）。當(dāng) PULSE 由 0V 變?yōu)?5V 時(shí)，三極管 Q2 導(dǎo)通，三極 管 Q1 截止，電壓 VA 為 5V+C4 兩端電壓，得出 VA=5+5?CVD2 。二極管 D1 截止，二極管 D2

5、 導(dǎo)通， PULSE_OUT 電壓為 10?C2*VD2 。當(dāng) PULSE 電壓由 5V 變?yōu)?0V 時(shí)，三極管 Q2 截止，三極管 Q1 導(dǎo)通， PULSE_OUT 電 壓變?yōu)?V。如此循環(huán)，可得 PULSE_OUT脈沖電壓為 10?C2*VD2 ，頻率與 PULSE 相同。四、電荷轉(zhuǎn)移電路 電荷轉(zhuǎn)移電路：如圖 6 所示，在無手指情況下，當(dāng)脈沖 由低電平變高電平時(shí)，Ut經(jīng)過C1，C2，D1，R1對(duì)C3進(jìn)行充電；當(dāng)脈沖由高電平變低電平時(shí)， C1， C2 經(jīng)過 D2 進(jìn)行放 電；放電后當(dāng)脈沖又產(chǎn)生高電平時(shí)又經(jīng)過 C1， C2， D1， R1 對(duì) C3 進(jìn)行充電，如此循環(huán) C3 即可以得到穩(wěn)定電壓

6、 U0 。當(dāng) 手指靠近電極時(shí)，如圖 7 所示，此時(shí)人體與電極產(chǎn)生如圖所 示的電容Cx,電容容量在幾PF到十幾PF。此時(shí)當(dāng)脈沖由低 電平變高電平時(shí)，Ut除了通過 C1 , C2, D1 , R1對(duì)C3充電 外，還對(duì) Cx 充電， 所以 Cx 得到了一部分電荷。 根據(jù)電路形 式 Ut 提供給 C3 的電荷明顯減?。?當(dāng)脈沖由高電平變?yōu)榈碗?平時(shí)， Cx 經(jīng)過 R3 進(jìn)行放電，所以脈沖電壓 Ut 可以循環(huán)對(duì) Cx 充電。也就是說每個(gè)脈沖周期都會(huì)轉(zhuǎn)移一部分電荷到 Cx， C3 得到的電荷減少，電壓 U0 降低。根據(jù)以上分析得出，當(dāng) 手指靠近電極時(shí)， U0 電壓將會(huì)降低。根據(jù)這個(gè)結(jié)論， MCU 對(duì) U0

7、 進(jìn)行 AD 采樣并判斷采樣數(shù)據(jù)就可以知道是否有手指 靠近，從而判斷是否有按鍵按下，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)按鍵的目的。五、軟件設(shè)計(jì)本軟件設(shè)計(jì)采用 AVR 單片機(jī) ATmega 1 6 。 AVR 單片機(jī)的 推出，徹底打破這種舊設(shè)計(jì)格局，廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù) 雜指令計(jì)算機(jī)（CISC ）追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令 集，以字作為指令長(zhǎng)度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼 安排在一字之中（指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如 此），取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高 速執(zhí)行指令。AVR 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取 8位機(jī)與 16位機(jī)的折中策略， 即采用局部寄存器 （ 32 個(gè)寄存器文件）和單體高速輸入 /輸

8、 出的方案（即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng) 控制邏輯）。提高了指令執(zhí)行速度（ 1Mips/MHz ），克服了瓶 頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能；同時(shí)又減少了對(duì)外設(shè)管理的開銷，相 對(duì)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故 AVR 單片機(jī)在軟 /硬件 開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性 價(jià)比的單片機(jī)。ATmega16有一個(gè)10位的逐次逼近型 ADC。ADC與一 個(gè) 8 通道的模擬多路復(fù)用器連接， 能對(duì)來自端口 A 的 8 路單 端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V（ GND ）為基準(zhǔn)。器件還支持 16 路差分電壓輸入組合。 兩路差分輸入 （ADC1 、 ADC0與ADC3、ADC2 ）

9、有可編程增益級(jí)，在 A/D轉(zhuǎn)換前 給差分輸入電壓提供 OdB（ 1x）、20dB（ 10x）或46dB （200x） 的放大級(jí)。七路差分模擬輸入通道共享一個(gè)通用負(fù)端（ ADC1 ），而其他任何 ADC 輸入可做為正輸入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益， 可得到 7 位分辨率。本設(shè)計(jì)主要采用 Atmega16 的ADC 功能，選用 8 位分辨率采用方式， 啟用 ADC 中斷功能。 部分程序如下：主程序：void main （ void ）/ port initialization/ Watchdog Timer initialization/ Watchdog

10、 Timer Prescaler ： OSC/128k #pragma optsize-/WDTCR=0x19 ；/WDTCR=0x09 ； #ifdef _OPTIMIZE_SIZE_#pragma optsize+#endifADC_init （）；/ Global enable interrupts#asm（ sei ）；Get_sensor_standard（）； /大約需要 1 秒鐘 while （ 1）/ Place your code hereADC 中斷采樣程序（采樣多個(gè)感應(yīng)按鍵） ： interrupt ADC_INT void AD_INT （ void ） registe

11、r static unsigned char num； /采用 register static 可 以減少入棧及出棧時(shí)間，提高運(yùn)行速度/ 設(shè)置 CD4051 通道PORTC &= 0x3e ；PORTC |= AD_CD4051_MUX1Channel ； /感應(yīng)按鍵采樣num = ADC_SensorChannel.ConvertNum ； ADC_SensorChannel.CacheValuenum = ADCH ； if ( +ADC_SensorChannel.ConvertNum =DATA_NUM )ADC_SensorChannel.ConvertNum = 0 ；for (num = 0； num = CHANNEL ) Channel = 0；/ Start the AD conversion