一种电容感应开关设计

2020-06-18庞志华杨雪凯郝志阳北华航天工业学院电子与控制工程学院刘紫阳北华航天工业学院计算机学院

数码世界 2020年4期

庞志华杨雪凯郝志阳北华航天工业学院电子与控制工程学院刘紫阳北华航天工业学院计算机学院

引言

楼道灯一般设计为机械开关或者声控自动开关，潘煜东等设计了加装热释电传感器和菲涅尔透镜的智能楼道灯，一定程度上解决了机械开关使用不便、声控开关易受鸡鸣狗吠等噪声干扰误动作的缺陷，但红外感应开关存在易受各种热源、光源和热气流干扰的缺点。另外，被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡。文献[3-4]根据电容感应原理，分别基于CAP1166 和FDC1004 电容数字转换模块设计了非接触式电容感应开关和人体接近感知系统。基于电容近感探测原理设计的接近开关具有结构简单、非接触、可以适应复杂结构或表面等有点，在军事和民用领域都有应用，具有深入研究的价值。

1 电容感应原理及系统设计

电容感应开关依靠电容感应原理工作，不受声、光等干扰。目标到探测器距离的改变会引起探测器激励电极和感应电极两电极间电容发生改变，通过电容到电压的转换，得到电容变换和输出电压之间的关系，完成对目标距离的识别。

本文研究设计了一种电容转换为输出电压的接近开关，系统探测模型如图1 所示。其中结构电容C0 由激励电极和感应电极组成。无目标时，激励电极和感应电极形成的电场稳定，C0 值不发生变化，检波输出电压uo 不变，执行电路不动作。有目标接近探测系统时，对原电场形成扰动，并迅速建立新的电场分布，使结构电容发生改变进而影响检波电压大小。通过采集判断输出电压的大小可以推断有无目标接近探测系统，进而控制执行机构动作，即实现人来灯亮、人走灯灭的自动控制功能。

图1 系统原理框图

2 电极设计

在电容探测系统中，电极的尺寸、形状和布置方式等对探测结果形成至关重要的影响。本文运用先进的有限元仿真软件Comsol，采用控制变量法，分别研究了目标距离改变、激励电极尺寸改变和电极间距离改变对耦合电容的影响。仿真时选用的物理场为静电场，为简化仿真，电极和目标设置为铜介质，置于有界且充满空气的空间中，空间位置如图2(d)所示，其中电极和目标材质均为铜板，其中电极厚度为0.1cm，目标厚度为1cm。图2(a-c)中Cexc_sen、Csen_tar 分别表示激励电极到感应电极的电容值和感应电极到目标的电容值。图2(a)中激励电极和感应电极均为边长为6cm 的正方形，两电极间距为2cm，改变目标距离从10cm 到70cm，步进为10cm。可以看出随着目标的逐步接近，Cexc_sen 减小，而Csen_tar 在增大。图2(b)中，保持感应电极尺寸、目标距离和电极间距不变，改变激励电极长边边长，从6cm 增大到12cm，步进为1cm，可见Cexc_sen增大，而Csen_tar 没有变化。图2(c)中，保持两电极尺寸和目标距离不变，改变极间距离从1cm 到6cm，步进为0.5cm。发现随着极间距离的增大，Cexc_sen 和Csen_tar 均在减小，且后者减小速度更快。

图2 有限元仿真布置及控制变量法仿真计算结果

3 电路设计

电容感应探测依靠电场工作，激励电极产生的电场范围越大、场强越大，感应系统越容易与外界目标建立耦合关系，进而增加探测距离。由匀强电场场强计算公式E=U/d 可知，当极板间距离d 固定时，电压U 越大得到的场强越大。常用微控制器电路的供电电压一般为5V或3.3V，考虑在不增加额外电源电路的前提下，得到更大的激励电压，采用了图3 左半部分所示的克拉波振荡电路，并从LC 串联支路取出激励电压，在不接入检波电路时，该电压峰峰值可达到43.4V，振荡频率为2.86MHz。该频率下电磁波波长为，远大于探测距离，故满足探测系统工作于静电场探测的条件。

图4 探测电路原理图

激励电极连接振荡电路，感应电容连接二极管包络检波电路，目标与探测系统距离不同时，两电极形成的结构电容C4 容值不同，为模拟这一变化，在Multisim 电路仿真中将C4 设置为可变电容，以方便交互式仿真。图4 为参数扫描结果，从电路上电到1.5ms 的时间里，分别仿真了C4 从1pF 到10pF（步进1pF）时的检波电压V4 的值，从图4 中可以看出电路稳定后不同的C4 值对应不同的V4 值，且C4越大V4 越大，C4 增大到5pF 之后，V4 值仍在增大但变化量开始减小。仿真结果说明，可以通过检波电压的变化反映结构电容的变化，进而推测有无目标或者目标离探测系统的距离。