4 檢測接口實(shí)際電路設(shè)計(jì)

由于電容式傳感器種類多，容值變化范圍廣，需要根據(jù)不同的測量范圍選擇合適的器件具體實(shí)現(xiàn)上述測量原理。電容式接近傳感器是一種廣泛應(yīng)用的容性傳感器，它共有3個(gè)極板。人體的某一待測部分(如手指)為活動(dòng)極板，另外，2塊為固定極板。1塊以某一恒定正弦電壓激勵(lì);另一塊接地。當(dāng)人體接近時(shí)，電容量變大，當(dāng)超過某一閾值時(shí)，即可認(rèn)為有人體接近。整個(gè)傳感器的核心就在于微變電容量的檢測，基于上述原理，設(shè)計(jì)了實(shí)際電路。

AD5933是一款集成式單片檢測芯片，集成了頻率發(fā)生、幅值調(diào)整、模數(shù)轉(zhuǎn)換、離散變換等功能，其頻率輸出最高為100kHz.該芯片可以完成上述測量原理的主要功能，配合STM32F103CBT6微控制器就可以實(shí)現(xiàn)具體電路。

AD5933內(nèi)部寄存器0×82~0×84為起始頻率控制字，0×85~0×87為增量頻率控制字，根據(jù)該型傳感器需要，分別設(shè)置上述2個(gè)控制字為0x170A3D和0×000000,即輸出45kHz固定激勵(lì)頻率。內(nèi)部寄存器0×94~0×95和0×96~0×97分別存儲了經(jīng)過DFT運(yùn)算后的檢測電壓實(shí)部和虛部值，讀取這4個(gè)寄存器就可以獲得待測數(shù)值。

此外，AD5933還提供了14位精度的片內(nèi)溫度傳感器，可用于誤差補(bǔ)償，溫度值存儲在0×92~0×93寄存器中。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖所示。

由于電容量極易受到外界干擾的影響，因此必須做好PCB的布局和布線工作。對于AD5933,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的模擬和數(shù)字地回路，其數(shù)字部分可與微控制器地回路直接連接。激勵(lì)和檢測部分應(yīng)盡可能靠近傳感器的兩端，并遠(yuǎn)離印制電路板上的晶振等高頻數(shù)字信號的干擾。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

利用上述系統(tǒng)對自制的電容式接近傳感器進(jìn)行了測試。該傳感器的2個(gè)固定極板為PCB上2塊相對的覆銅，其面積為3cm×1cm,厚度約為100μm,間距為2μm,PCB材質(zhì)為FR4,初始電容約為0.13pF.以人手指相距板面1cm視為處于接近狀態(tài)，使用Ansys仿真可得此時(shí)電容為0.135pF,考慮環(huán)境濕度等因素影響，設(shè)置檢測閾值為0.139pF.當(dāng)人體接近時(shí)，點(diǎn)亮電路板上的LED進(jìn)行示意。連續(xù)對系統(tǒng)做了100次測試，第一類錯(cuò)誤(未接近但報(bào)告)為3次，第二類錯(cuò)誤(接近但為報(bào)告)2次，總體正確率在95%以上。發(fā)生兩類錯(cuò)誤的主要原因在于活動(dòng)極板(手指)的位置變化不規(guī)律，容易引入粗大誤差所致。實(shí)際測試表明，該電路對設(shè)計(jì)值在0.1pF以上量級的電容式傳感器具有較好的檢測效果。

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種電容式傳感器數(shù)字化通用檢測接口，在完成原理分析后進(jìn)行了實(shí)際電路測試。測試結(jié)果表明，該方案具有較好的電容檢測靈敏度，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的可靠性和可移植性。對于設(shè)計(jì)值在0.1pF以上量級的電容式傳感器的測試和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。