電場(chǎng)傳感器MC33794是Freeseale公司推出的一種新型傳感器產(chǎn)品，適用于需要對(duì)物體非觸摸式感應(yīng)的應(yīng)用。利用MC33794設(shè)計(jì)了一種新型的觸摸按鍵控制系統(tǒng)。該觸摸按鍵系統(tǒng)通過電場(chǎng)傳感器的電極，可以非接觸感知手指的按鍵情況。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需一個(gè)微控制器和MC33794就可實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的觸摸檢測(cè)和控制，電路相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于許多家用電器。
2 電場(chǎng)傳感器MC33794簡(jiǎn)介
MC33794內(nèi)部能夠產(chǎn)生低電平電場(chǎng)，所有功能均集成于單芯片中，可測(cè)量由于物體在電場(chǎng)中移動(dòng)而造成的電場(chǎng)負(fù)載。該器件產(chǎn)生的低頻正弦波的頻率可通過外部電阻調(diào)節(jié)，最優(yōu)頻率為120 kHz。此正弦波含有極少的的諧波分量，可以避免產(chǎn)生諧波干擾。它是行業(yè)內(nèi)唯一可產(chǎn)生及檢測(cè)低電平電場(chǎng)并支持微控制器的集成電路。MC33794適用領(lǐng)域：
(1)家用電器可輕松植入自動(dòng)開關(guān)功能。如果在某些電器的控制端中嵌入幾個(gè)電極，這些電器被移動(dòng)時(shí)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，而放回原處時(shí)又會(huì)自動(dòng)斷電關(guān)閉。另外還可嵌入更多的電極，并定義這些電極的功能，從而能讓使用者通過輕微觸動(dòng)這些電極控制家用電器。
(2)能夠方便地實(shí)現(xiàn)包括液位檢測(cè)、溢出檢測(cè)和濕度檢測(cè)等應(yīng)用。例如，可對(duì)爐火進(jìn)行編程控制，當(dāng)爐上的液體被加熱至沸騰溢出時(shí)，爐火能夠自動(dòng)減小或關(guān)閉。
(3)應(yīng)用在觸摸屏輸入中，而無需薄膜開關(guān)或昂貴的多層電阻式觸摸板，也無需接觸式的機(jī)械裝置就可以感應(yīng)到輸入情況，因而能消除接觸式機(jī)械裝置常碰到的磨損、灰塵和腐蝕等問題，尤其適合在惡劣環(huán)境下工作。
(4)在汽車安全中的應(yīng)用。Elesys公司在其SeatSentry乘客保護(hù)系統(tǒng)中采用了飛思卡爾的MC33794電場(chǎng)式成像器件來探測(cè)乘客的身型和位置，以決定是否需要彈出安全氣囊，避免乘客因氣囊彈出而受傷。
由此可見，飛思卡爾公司推出的這款電場(chǎng)傳感器集成電路，擴(kuò)展了該傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍，可用于消費(fèi)品、電器和工業(yè)等領(lǐng)域，提高了這些領(lǐng)域設(shè)備的可靠性和易用性。
3 MC33794工作原理
MC33794工作原理如圖l所示。由其產(chǎn)生的低頻正弦波用以驅(qū)動(dòng)電極，當(dāng)電極的電場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的電容值發(fā)生改變，測(cè)得的電壓與1/C成正比，即電容增加則檢測(cè)的電壓減少。圖1中的檢波器和低通濾波器均在MC33794片內(nèi)，使用時(shí)只需接10 nF電容。
4 觸摸按鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4．1 觸摸按鍵的設(shè)計(jì)原理
電場(chǎng)傳感器能感知電場(chǎng)中物體在三維空間內(nèi)的移動(dòng)，如圖2所示。當(dāng)手掌進(jìn)入電極產(chǎn)生的電場(chǎng)區(qū)域后。電極上的電流會(huì)有相應(yīng)的變化，從而感知手掌距電極的距離。
采用玻璃的介電常數(shù)εr為7．8，玻璃厚度為4 mm，電極面積為2 cm2，使用單個(gè)電極為1個(gè)按鍵，則可有9個(gè)按鍵，如果需要更多的按鍵，則可用2個(gè)或2個(gè)以上電極組合構(gòu)成1個(gè)按鍵，比如用2個(gè)電極構(gòu)成1個(gè)組合按鍵，最多可達(dá)45個(gè)按鍵。一般構(gòu)成1個(gè)按鍵的電極不要超過4個(gè)，因?yàn)殡姌O越多，電場(chǎng)越弱，不好檢測(cè)。
當(dāng)手指觸摸玻璃表面時(shí)，電極間的電容值發(fā)生變化，MC33794的引腳LEVEL輸出電壓發(fā)生變化，就可知道手指是否觸摸玻璃。
4．2 觸摸按鍵硬件設(shè)計(jì)
主控MCU選用Freescale公司的MC9S12DGl28B單片機(jī)。該單片機(jī)集成有采樣頻率為140 KS／s的10位A／D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、多達(dá)91個(gè)I/0端口、SCI等接口。
系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示。將MC33794的A、B、C、D接到9S12DGl28的PA端口，通過軟件控制I/0端口輸出，選擇需要采樣的電極。MC33794共9個(gè)電極可以使用，可根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)成所需的按鍵。
當(dāng)手指觸摸玻璃時(shí)，MC33794輸出信號(hào)大約有0．2 V的下降，該信號(hào)變化經(jīng)過放大器放大約1V送入S12的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行檢測(cè)并加以處理。
4．3 軟件設(shè)計(jì)
觸摸按鍵系統(tǒng)的軟件主要由主程序、初始化模塊、觸摸靈敏度模塊、讀電極電壓值模塊、數(shù)字濾波模塊以及按鍵功能子模塊等組成，主程序流程如圖4所示。
初始化模塊主要初始化定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器等，以及設(shè)置單片機(jī)總線速度。要求A／D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘頻率約為1 MHz。
通過改變靈敏度參數(shù)調(diào)整所有按鍵的靈敏度，以適應(yīng)不同的玻璃面板。
當(dāng)觸摸控制器不“工作”時(shí)，在軟件上將微控制器設(shè)定為“低功耗喚醒”模式，同時(shí)保持在按鍵按下時(shí)能快速響應(yīng)，這種模式可用于在人接觸時(shí)喚醒產(chǎn)品。
5 結(jié)語(yǔ)
提出了利用電場(chǎng)傳感器MC33794和微控制器MC9S12DGl28B構(gòu)成的觸摸按鍵系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，已應(yīng)用到自動(dòng)化儀表的人機(jī)界面的按鍵部分，電路簡(jiǎn)單、可靠，取得了較好的效果。