龐志華 楊雪凱 郝志陽(yáng) 北華航天工業(yè)學(xué)院 電子與控制工程學(xué)院 劉紫陽(yáng) 北華航天工業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院
樓道燈一般設(shè)計(jì)為機(jī)械開(kāi)關(guān)或者聲控自動(dòng)開(kāi)關(guān),潘煜東等設(shè)計(jì)了加裝熱釋電傳感器和菲涅爾透鏡的智能樓道燈,一定程度上解決了機(jī)械開(kāi)關(guān)使用不便、聲控開(kāi)關(guān)易受雞鳴狗吠等噪聲干擾誤動(dòng)作的缺陷,但紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)存在易受各種熱源、光源和熱氣流干擾的缺點(diǎn)。另外,被動(dòng)紅外穿透力差,人體的紅外輻射容易被遮擋。文獻(xiàn)[3-4]根據(jù)電容感應(yīng)原理,分別基于CAP1166 和FDC1004 電容數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)了非接觸式電容感應(yīng)開(kāi)關(guān)和人體接近感知系統(tǒng)。基于電容近感探測(cè)原理設(shè)計(jì)的接近開(kāi)關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、可以適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或表面等有點(diǎn),在軍事和民用領(lǐng)域都有應(yīng)用,具有深入研究的價(jià)值。
電容感應(yīng)開(kāi)關(guān)依靠電容感應(yīng)原理工作,不受聲、光等干擾。目標(biāo)到探測(cè)器距離的改變會(huì)引起探測(cè)器激勵(lì)電極和感應(yīng)電極兩電極間電容發(fā)生改變,通過(guò)電容到電壓的轉(zhuǎn)換,得到電容變換和輸出電壓之間的關(guān)系,完成對(duì)目標(biāo)距離的識(shí)別。
本文研究設(shè)計(jì)了一種電容轉(zhuǎn)換為輸出電壓的接近開(kāi)關(guān),系統(tǒng)探測(cè)模型如圖1 所示。其中結(jié)構(gòu)電容C0 由激勵(lì)電極和感應(yīng)電極組成。無(wú)目標(biāo)時(shí),激勵(lì)電極和感應(yīng)電極形成的電場(chǎng)穩(wěn)定,C0 值不發(fā)生變化,檢波輸出電壓uo 不變,執(zhí)行電路不動(dòng)作。有目標(biāo)接近探測(cè)系統(tǒng)時(shí),對(duì)原電場(chǎng)形成擾動(dòng),并迅速建立新的電場(chǎng)分布,使結(jié)構(gòu)電容發(fā)生改變進(jìn)而影響檢波電壓大小。通過(guò)采集判斷輸出電壓的大小可以推斷有無(wú)目標(biāo)接近探測(cè)系統(tǒng),進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,即實(shí)現(xiàn)人來(lái)燈亮、人走燈滅的自動(dòng)控制功能。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
在電容探測(cè)系統(tǒng)中,電極的尺寸、形狀和布置方式等對(duì)探測(cè)結(jié)果形成至關(guān)重要的影響。本文運(yùn)用先進(jìn)的有限元仿真軟件Comsol,采用控制變量法,分別研究了目標(biāo)距離改變、激勵(lì)電極尺寸改變和電極間距離改變對(duì)耦合電容的影響。仿真時(shí)選用的物理場(chǎng)為靜電場(chǎng),為簡(jiǎn)化仿真,電極和目標(biāo)設(shè)置為銅介質(zhì),置于有界且充滿(mǎn)空氣的空間中,空間位置如圖2(d)所示,其中電極和目標(biāo)材質(zhì)均為銅板,其中電極厚度為0.1cm,目標(biāo)厚度為1cm。圖2(a-c)中Cexc_sen、Csen_tar 分別表示激勵(lì)電極到感應(yīng)電極的電容值和感應(yīng)電極到目標(biāo)的電容值。圖2(a)中激勵(lì)電極和感應(yīng)電極均為邊長(zhǎng)為6cm 的正方形,兩電極間距為2cm,改變目標(biāo)距離從10cm 到70cm,步進(jìn)為10cm??梢钥闯鲭S著目標(biāo)的逐步接近,Cexc_sen 減小,而Csen_tar 在增大。圖2(b)中,保持感應(yīng)電極尺寸、目標(biāo)距離和電極間距不變,改變激勵(lì)電極長(zhǎng)邊邊長(zhǎng),從6cm 增大到12cm,步進(jìn)為1cm,可見(jiàn)Cexc_sen增大,而Csen_tar 沒(méi)有變化。圖2(c)中,保持兩電極尺寸和目標(biāo)距離不變,改變極間距離從1cm 到6cm,步進(jìn)為0.5cm。發(fā)現(xiàn)隨著極間距離的增大,Cexc_sen 和Csen_tar 均在減小,且后者減小速度更快。
圖2 有限元仿真布置及控制變量法仿真計(jì)算結(jié)果
電容感應(yīng)探測(cè)依靠電場(chǎng)工作,激勵(lì)電極產(chǎn)生的電場(chǎng)范圍越大、場(chǎng)強(qiáng)越大,感應(yīng)系統(tǒng)越容易與外界目標(biāo)建立耦合關(guān)系,進(jìn)而增加探測(cè)距離。由勻強(qiáng)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式E=U/d 可知,當(dāng)極板間距離d 固定時(shí),電壓U 越大得到的場(chǎng)強(qiáng)越大。常用微控制器電路的供電電壓一般為5V或3.3V,考慮在不增加額外電源電路的前提下,得到更大的激勵(lì)電壓,采用了圖3 左半部分所示的克拉波振蕩電路,并從LC 串聯(lián)支路取出激勵(lì)電壓,在不接入檢波電路時(shí),該電壓峰峰值可達(dá)到43.4V,振蕩頻率為2.86MHz。該頻率下電磁波波長(zhǎng)為 ,遠(yuǎn)大于探測(cè)距離,故滿(mǎn)足探測(cè)系統(tǒng)工作于靜電場(chǎng)探測(cè)的條件。
圖4 探測(cè)電路原理圖
激勵(lì)電極連接振蕩電路,感應(yīng)電容連接二極管包絡(luò)檢波電路,目標(biāo)與探測(cè)系統(tǒng)距離不同時(shí),兩電極形成的結(jié)構(gòu)電容C4 容值不同,為模擬這一變化,在Multisim 電路仿真中將C4 設(shè)置為可變電容,以方便交互式仿真。圖4 為參數(shù)掃描結(jié)果,從電路上電到1.5ms 的時(shí)間里,分別仿真了C4 從1pF 到10pF(步進(jìn)1pF)時(shí)的檢波電壓V4 的值,從圖4 中可以看出電路穩(wěn)定后不同的C4 值對(duì)應(yīng)不同的V4 值,且C4越大V4 越大,C4 增大到5pF 之后,V4 值仍在增大但變化量開(kāi)始減小。仿真結(jié)果說(shuō)明,可以通過(guò)檢波電壓的變化反映結(jié)構(gòu)電容的變化,進(jìn)而推測(cè)有無(wú)目標(biāo)或者目標(biāo)離探測(cè)系統(tǒng)的距離。
圖5 結(jié)構(gòu)電容C4 與檢波電壓V4 的關(guān)系
實(shí)驗(yàn)布置如圖5 所示,當(dāng)目標(biāo)白板(金屬)靠近近探測(cè)器時(shí),檢波輸出電壓升高,達(dá)到閾值后指示燈點(diǎn)亮,目標(biāo)離開(kāi)時(shí),指示燈熄滅。結(jié)果表明所提出的方案是可行的,后續(xù)將進(jìn)一步改進(jìn)電路以應(yīng)用于工程實(shí)際。
圖6 實(shí)驗(yàn)布置