吳文勇

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)趹?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/ωC，稱為容抗，單位為 Ω（歐姆），容抗的倒數(shù)稱為容納BC = ωC，單位為 S。由（式-1）可見頻率和容抗成反比， 也就是頻率越高，容抗越小，如圖2曲線所示。

ω→0 ， |XC|→∞直流開路（隔直）

ω→∞，|XC|→0高頻短路（旁路作用）

我們知道電容器的公式：

ε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：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)殡娙莸娜菘棺饔檬故种概c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 （ τ=RC）后，C4電壓為5–VD2 （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)?V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–VD2。二極管D1截止，二極管D2導(dǎo)通，PULSE_OUT電壓為10–2*VD2。當(dāng)PULSE電壓由5V變?yōu)?V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10–2*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)榈碗娖綍r(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)ATmega16。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）有可編程增益級(jí)，在A/D轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0dB（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。endprint

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 Timer Prescaler： OSC/128k

#pragma optsize-

//WDTCR=0x19；

//WDTCR=0x09；

#ifdef _OPTIMIZE_SIZE_

#pragma optsize+

#endif

ADC_init（）；

// Global enable interrupts

#asm（"sei"）；

Get_sensor_standard（）；//大約需要1秒鐘

while （1）

{

// Place your code here

}

ADC中斷采樣程序（采樣多個(gè)感應(yīng)按鍵）：

interrupt [ADC_INT] void AD_INT（void）

{

register 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_MUX1[Channel]；

//感應(yīng)按鍵采樣

num = ADC_Sensor[Channel].ConvertNum；

ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num] = ADCH；

if（++ADC_Sensor[Channel].ConvertNum >= DATA_NUM）

{

ADC_Sensor[Channel].ConvertNum = 0；

for（num = 0； num < DATA_NUM； num++）

ADC_Sensor[Channel].Value[num] = ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num]； //完成一個(gè)通道采樣

setbit（ADC_Sensor[Channel].State， AD_COMPLETE_BIT）；//設(shè)置當(dāng)前通道完成標(biāo)志

}

//ADC通道循環(huán)

if（++Channel >= CHANNEL） Channel = 0；

// Start the AD conversion

ADMUX = AD_MUX[Channel]；

ADCSRA|=0x40；

}

參考文獻(xiàn)

[1]邱關(guān)源.電路[M].北京：高等教育出版社.

[2]Bruce Eckel.C++編程思想[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]李火林，鄧聲南，甘筱青.數(shù)學(xué)模型及方法[M].江西：江西高校出版社.

[4]寧建國(guó).AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.endprint

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 Timer Prescaler： OSC/128k

#pragma optsize-

//WDTCR=0x19；

//WDTCR=0x09；

#ifdef _OPTIMIZE_SIZE_

#pragma optsize+

#endif

ADC_init（）；

// Global enable interrupts

#asm（"sei"）；

Get_sensor_standard（）；//大約需要1秒鐘

while （1）

{

// Place your code here

}

ADC中斷采樣程序（采樣多個(gè)感應(yīng)按鍵）：

interrupt [ADC_INT] void AD_INT（void）

{

register 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_MUX1[Channel]；

//感應(yīng)按鍵采樣

num = ADC_Sensor[Channel].ConvertNum；

ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num] = ADCH；

if（++ADC_Sensor[Channel].ConvertNum >= DATA_NUM）

{

ADC_Sensor[Channel].ConvertNum = 0；

for（num = 0； num < DATA_NUM； num++）

ADC_Sensor[Channel].Value[num] = ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num]； //完成一個(gè)通道采樣

setbit（ADC_Sensor[Channel].State， AD_COMPLETE_BIT）；//設(shè)置當(dāng)前通道完成標(biāo)志

}

//ADC通道循環(huán)

if（++Channel >= CHANNEL） Channel = 0；

// Start the AD conversion

ADMUX = AD_MUX[Channel]；

ADCSRA|=0x40；

}

參考文獻(xiàn)

[1]邱關(guān)源.電路[M].北京：高等教育出版社.

[2]Bruce Eckel.C++編程思想[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]李火林，鄧聲南，甘筱青.數(shù)學(xué)模型及方法[M].江西：江西高校出版社.

[4]寧建國(guó).AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.endprint

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 Timer Prescaler： OSC/128k

#pragma optsize-

//WDTCR=0x19；

//WDTCR=0x09；

#ifdef _OPTIMIZE_SIZE_

#pragma optsize+

#endif

ADC_init（）；

// Global enable interrupts

#asm（"sei"）；

Get_sensor_standard（）；//大約需要1秒鐘

while （1）

{

// Place your code here

}

ADC中斷采樣程序（采樣多個(gè)感應(yīng)按鍵）：

interrupt [ADC_INT] void AD_INT（void）

{

register 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_MUX1[Channel]；

//感應(yīng)按鍵采樣

num = ADC_Sensor[Channel].ConvertNum；

ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num] = ADCH；

if（++ADC_Sensor[Channel].ConvertNum >= DATA_NUM）

{

ADC_Sensor[Channel].ConvertNum = 0；

for（num = 0； num < DATA_NUM； num++）

ADC_Sensor[Channel].Value[num] = ADC_Sensor[Channel].CacheValue[num]； //完成一個(gè)通道采樣

setbit（ADC_Sensor[Channel].State， AD_COMPLETE_BIT）；//設(shè)置當(dāng)前通道完成標(biāo)志

}

//ADC通道循環(huán)

if（++Channel >= CHANNEL） Channel = 0；

// Start the AD conversion

ADMUX = AD_MUX[Channel]；

ADCSRA|=0x40；

}

參考文獻(xiàn)

[1]邱關(guān)源.電路[M].北京：高等教育出版社.

[2]Bruce Eckel.C++編程思想[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]李火林，鄧聲南，甘筱青.數(shù)學(xué)模型及方法[M].江西：江西高校出版社.

[4]寧建國(guó).AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.endprint