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将接近感应添加到您的下一个嵌入式设计中

关键词:嵌入式设计 传感技术

时间:2023-08-04 10:17:53      来源:网络

消费电子设备现已成为日常生活的一部分。移动电话稀有、PDA 只能由少数人买得起的日子已经一去不复返了。随着这些嵌入式电子设备变得无处不在,此类设备的制造商正在寻找新的方法来封装更多特性和功能,以增强其可用性并在市场上更具竞争力。

消费电子设备现已成为日常生活的一部分。移动电话稀有、PDA 只能由少数人买得起的日子已经一去不复返了。随着这些嵌入式电子设备变得无处不在,此类设备的制造商正在寻找新的方法来封装更多特性和功能,以增强其可用性并在市场上更具竞争力。

接近感应是许多嵌入式设备中的一项此类功能。嵌入式设备领域的接近传感是检测电子设备附近是否存在人类手指或手。接近传感的这一特性正在被众多行业的各种应用所采用。

接近传感的使用

接近传感在手持式电池供电设备行业中得到了直接采用。该功能见于的手机和音??乐播放器中。这些设备中接近感应的主要功能是省电。

只要音乐播放器或手机上未检测到有人手指或手靠近,其 LCD 显示屏就会保持关闭状态。由于显示器处于关闭状态,只有 CPU 从电池获取电力,而不会消耗电力来驱动 LCD 显示器。

一旦设备检测到人手的存在,显示屏就会亮起,显示当前正在播放的歌曲或呼叫者信息。平均功耗因此降低,从而延长电池寿命。

接近传感已成为家庭自动化的常见功能。它用于通过在其前面挥动手来打开台灯。当手放在水龙头下面时,水龙头就会打开。

只要用户不在其附近,带有显示屏的微波炉和冰箱就会保持空白。当用户靠近它时,显示屏和灯光就会打开。新的家庭自动化系统也采用了此功能。用于照明和电器控制的触摸屏显示器被配置为在正常情况下充当数码相框。

一旦有人靠近它,它就会将显示内容更改为控制面板,并照亮隐藏的触摸传感器按钮。如果检测到门把手或窗玻璃附近有未经授权的存在,接近感应还可以通过发出警报来确保安全。将这一想法扩展到构建更智能的器具和电器。

当手靠近时,可以通过改变表面颜色来指示内部液体温度的器具。这可以避免儿童在厨房周围被严重烧伤。浴缸在你把脚放进去之前就可以警告你水太冷了。

汽车行业可以采用接近传感技术来打造更智能的汽车。想象一下,一辆汽车能够感应到驾驶员在其附近,并在他接近把手时为他解锁车门。除此之外,它还会根据车内温度打开点火装置、空调或加热器。当驾驶员的手靠近时,如果手柄或变速杆太热,汽车会发出警告。

如果它检测到驾驶员的手靠近卡迪德,它还可以指示驾驶员卡迪德上的旋钮或按钮是什么。就在年轻人认为汽车无法变得更加智能时,接近传感等新兴技术正在突破极限。

接近感应用于显示键盘中隐藏的触摸感应按钮。老鼠保持睡眠模式,直到它检测到一只手的存在。然后它会醒来,打开无线电与 PC 配对并准备好运行。这可以延长电池寿命。基于接近度的按钮可以取代机械按钮来在笔记本电脑关闭时打开笔记本电脑。这可以扩展到包括冰箱门、微波炉和手机。

接近感测方法

存在多种技术来执行接近感测,包括电阻式、电感式、电容式、光学、声学和视觉方法。这些技术都有其优点和缺点。选择哪一种取决于具体应用、成本和可用性。本文将讨论如何实现电容式接近传感器。


图 1:电容式传感元件

要了解电容式接近感应的工作原理,请考虑如图所示的电容式感应元件的横截面(上图 1)。导电铜区域和导电传感器位于覆盖材料下方。两个彼此靠近的导电元件会产生称为寄生电容的电容。

寄生电容是由传感器垫和接地层的耦合产生的。寄生电容通常为 10pF 至 300pF 左右。传感器和接地面的接近也会产生穿过覆盖层的边缘电场。

当像人手指这样的导电物体靠近边缘电场时(下图 2),它会向电容系统增加导电表面积。系统总电容的这种变化用于检测电容传感器元件附近是否存在手指。


图2:当手指靠近时,传感器的总电容发生变化

检测和测量电容变化

接近传感器的精度和可靠性取决于对系统电容变化的准确测量。存在许多相同的方法。常用的测量方法有电荷转移法、逐次逼近法、Sigma-Delta 法和互电容测量法,每种方法都有其优点和缺点。

目前电容式传感 IC 上更常用的技术是逐次逼近 (CSA) 和 Sigma-Delta (CSD)。两种方法均使用开关电容器电路并使用外部修改电容器 (CMod)。

在 CSA 方法中(如下图 3),开关电容器网络对 CMod 进行充电。然后,CMod 上的电压通过低通滤波器进入比较器,与参考电压进行比较。由振荡器计时的计数器由比较器的输出选通,比较器的输出被处理以确定传感器的状态。CSA 需要很少的外部元件。它也不受电源瞬变的影响。


图3:CSA框图

在 CSD 方法中(下图 4),开关电容器输入级包含传感器电容器 CX。开关电容器网络位于 VDD 和 CMod 电压之间。伪随机发生器控制开关电容器网络的开关频率。CMod 不断充电和放电。

当比较器跳闸时,泄放电阻器开关闭合,对 CMod 放电,直到新值存储在同步锁存器中。然后锁存器的位流输出与 PWM 进行“与”运算并启用计数器。


图4:CSD框图

处理计数器的输出以确定传感器的状态。CSD 非常适合白色家电、工业和汽车应用,因为它不容易受到电磁干扰和辐射发射的影响。

电容式接近传感:优点和缺点

电容式接近传感相对于其他传感方法的一些优点包括:

1)手指存在检测范围相当高(使用外部天线传感器时为 30 厘米以上,不使用天线时为 10 厘米以上)。
2) 灵敏度高于电阻式或电感式等传感方法。
3)价格便宜,因为传感器可以用不同的介质构建,例如铜、外部线传感器、ITO 和印刷油墨。
4) 元件尺寸
5) 温度稳定性
6)设计灵活性。
7) 耐环境因素:水、温度、湿度。
8) 适用于各种不同厚度的非导电覆盖材料,例如玻璃。
9) 由于它们可以替代机械部件,因此具有高可靠性和耐用性。

但应该考虑一些潜在的缺点,包括:

1) 感测元件必须是导电的。这使得它能够很好地检测附近的人体组织。然而,当用户戴着橡胶手套时,它可能无法检测到手靠近它。

2) 当导电物体保持在传感器附近时,系统终可以重新计算其寄生电容,以包括手在其附近感应的电容。这可能会导致未来的错误检测。然而,这可以通过软件轻松解决。

3) 当传感器附近存在金属物体时,电容式接近感应的检测范围会急剧减小。下面详细介绍了解决该问题的方法。

存在金属物体时增加检测距离存在

金属物体时,电容式接近检测的范围会减少近 15 倍。其主要原因是金属物体增加了传感器的杂散电容。

这种杂散电容通过提供更高的满量程范围来降低接近响应值。这通常需要降低工作频率,进而缩短检测距离。接地金属平面还捕获部分传感器电场并减少增加的手指电容。

由于大多数白色家电都有金属外壳,因此此功能可能不利于此类设计。然而,通过在接近检测传感器和金属物体之间放置屏蔽电极来减小金属表面对传感器的影响,其中屏蔽电极具有与传感器相同的电势。这是解决该问题的一个相当有效的方法。

结论 事实证明,

除了功能上的实用性之外,在消费电子设备中使用接近传感还可以为设备增添“酷”感。让您的新设计在市场上具有竞争优势可能是值得考虑的。

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