一種電容式傳感器數字化通用檢測接口設計

4 檢測接口實際電路設計

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

AD5933是一款集成式單片檢測芯片，集成了頻率發生、幅值調整、模數轉換、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微控制器就可以實現具體電路。

AD5933內部寄存器0×82~0×84為起始頻率控制字，0×85~0×87為增量頻率控制字，根據該型傳感器需要，分別設置上述2個控制字為0x170A3D和0×000000,即輸出45kHz固定激勵頻率。內部寄存器0×94~0×95和0×96~0×97分別存儲了經過DFT運算后的檢測電壓實部和虛部值，讀取這4個寄存器就可以獲得待測數值。

此外，AD5933還提供了14位精度的片內溫度傳感器，可用于誤差補償，溫度值存儲在0×92~0×93寄存器中。系統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,需要設計相應的模擬和數字地回路，其數字部分可與微控制器地回路直接連接。激勵和檢測部分應盡可能靠近傳感器的兩端，并遠離印制電路板上的晶振等高頻數字信號的干擾。

5 實驗結果驗證

利用上述系統對自制的電容式接近傳感器進行了測試。該傳感器的2個固定極板為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，使用Ansys仿真可得此時電容為0.135pF,考慮環境濕度等因素影響，設置檢測閾值為0.139pF.當人體接近時，點亮電路板上的LED進行示意。連續對系統做了100次測試，第一類錯誤(未接近但報告)為3次，第二類錯誤(接近但為報告)2次，總體正確率在95%以上。發生兩類錯誤的主要原因在于活動極板(手指)的位置變化不規律，容易引入粗大誤差所致。實際測試表明，該電路對設計值在0.1pF以上量級的電容式傳感器具有較好的檢測效果。

6 結 論

設計了一種電容式傳感器數字化通用檢測接口，在完成原理分析后進行了實際電路測試。測試結果表明，該方案具有較好的電容檢測靈敏度，且系統結構簡單，具有良好的可靠性和可移植性。對于設計值在0.1pF以上量級的電容式傳感器的測試和應用具有一定的指導意義。