潘媛媛 張 勇

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510000）

引言

一方面，隨著人們對家電產(chǎn)品的互動界面要求越來越高，促使家電產(chǎn)品的人機互動界面向越來越智能、越來越友好的方向發(fā)展。另一方面，隨著世界各國低碳、綠色的倡議，各種標準和政策相繼出臺，節(jié)能省電不僅成為消費者選擇家電產(chǎn)品時的一項主要參考因素，低功耗更是各類家電產(chǎn)品設(shè)計的主流趨勢[1-4]。

在大多數(shù)家電產(chǎn)品上，例如冰箱、風(fēng)扇、空氣凈化器、洗碗機等，會有一個顯示操作界面，也就是人機交互界面。如果在家電產(chǎn)品人機交互界面上設(shè)計一個非接觸式感應(yīng)模塊，則可以做到在人手靠近該界面時，將其喚醒，在人手遠離該界面時，使其處于休眠狀態(tài)，不但可以降低產(chǎn)品功耗、節(jié)約能源，還可以使產(chǎn)品人機交互界面更智能化、更友好。

1 非接觸式感應(yīng)原理

目前，在非接觸式接近感應(yīng)傳感器上，根據(jù)使用元件不同，可分為電容式距離傳感器、光學(xué)式位移傳感器、超聲波位移傳感器等。具體到家電產(chǎn)品上，由于成本的要求和精度的需求，一般建議選擇使用成本較低、精度適中的電容式接近感應(yīng)模塊和紅外接近感應(yīng)模塊。

1.1 電容式非接觸接近感應(yīng)

簡單來講，電容式接近感應(yīng)就是將距離的變化量轉(zhuǎn)化為電容的變化量[5]。電容式接近開關(guān)的感應(yīng)圈就像是電容器的兩個電極，串聯(lián)在RC振蕩回路中，以此來檢測是否有物體存在。當(dāng)有物體朝著電容式接近開關(guān)靠近時，會增加電容器的容量，造成震蕩回路發(fā)生震蕩，相關(guān)處理電路將之進行處理，就可以把容量的變化轉(zhuǎn)換成開關(guān)量。

1.2 紅外非接觸接近感應(yīng)

紅外信號發(fā)射到物體上后，會被反射回來，根據(jù)紅外信號發(fā)射源與物體的距離不同，反射回來的信號強弱也會不一樣，距離越近信號越強，距離越遠信號越弱。紅外接近感應(yīng)模塊包含一個紅外信號發(fā)射二極管與紅外信號接收二極管，它們發(fā)射并接收某固定頻率的紅外信號，控制器芯片檢測并處理接收二極管的信號，從而判斷物體距離的遠近[6-8]。

2 電容式接近感應(yīng)模塊的設(shè)計

目前市面上已經(jīng)有較多成熟的人體接近感應(yīng)芯片了，所以只需要做好感應(yīng)芯片的應(yīng)用即可。本案例采用的一款人體接近感應(yīng)觸摸控制芯片，它是同時具有觸摸傳感和接近感應(yīng)雙功能的物理集成電容感應(yīng)控制芯片，并且觸摸和接近感應(yīng)獨立輸出。這款芯片的接近感應(yīng)低功耗模式僅僅消耗15 μA的電流，需要的外圍元件較少，設(shè)計應(yīng)用簡單，穩(wěn)定性較好。

電容式接近感應(yīng)芯片和相關(guān)外圍元件采用SMT工藝貼在PCB上，PCB板上方是顯示屏，顯示屏上方是一個面板，這樣可以在PCB板表面形成一個有一定范圍的感應(yīng)電場，用于檢測是否有物體靠近，該感應(yīng)模塊的平面布局如圖1所示，該方案的結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

圖1 電容式接近感應(yīng)模塊的平面布局

圖2 電容式接近感應(yīng)方案的結(jié)構(gòu)布局

雖然該人體接近感應(yīng)觸摸控制芯片抗射頻干擾較好，對手機、無線電話、藍牙和 WIFI 信號等射頻干擾源不敏感，但還是要遵守設(shè)計要點才能實現(xiàn)更好的抗干擾性能。

該人體接近感應(yīng)觸摸控制芯片的引腳圖如圖3所示。引腳1 （TOUT）為觸摸感應(yīng)輸出，當(dāng)人體觸摸到感應(yīng)電極點時，輸出相應(yīng)信號給單片機，輸出的是數(shù)字信號；引腳2 （GND）為參考接地；引腳3 （POUT）為接近感應(yīng)輸出，當(dāng)人體靠近到與感應(yīng)電極點的距離達到距離閾值時，輸出相應(yīng)信號給單片機，輸出的是數(shù)字信號；引腳4 （VREG）是內(nèi)部調(diào)整引腳；引腳5 （VDDHI）為芯片的電源輸入引腳；引腳6 （CX）為感應(yīng)電極點，一般會在此引腳上連接一個感應(yīng)天線，以便將感應(yīng)區(qū)域從一個點擴大到一個面。

圖3 芯片引腳圖

在該案例中，電容式接近感應(yīng)的應(yīng)用設(shè)計原理圖如圖4所示。T表示接近感應(yīng)點的天線，該天線是布置在PCB表面的一圈銅箔導(dǎo)線。

圖4 電容式接近感應(yīng)的應(yīng)用設(shè)計原理圖

該案例中的產(chǎn)品有負離子功能，負離子發(fā)生器工作時產(chǎn)生的負離子會對接近感應(yīng)造成干擾，對其靈敏度和精確度產(chǎn)生一定影響，可能導(dǎo)致接近感應(yīng)功能過于靈敏。C21電容接在電極感應(yīng)點引腳CX與參考地之間，改變C21電容的值，可以調(diào)節(jié)人體靠近天線的感應(yīng)靈敏度，C21的值越小，靈敏度越高，C21的值越大，靈敏度越低。同樣，VDD和GND之間的電容C19的大小、VREG和GND之間的電容C18的大小也會對接近感應(yīng)功能的靈敏度造成影響。

不僅如此，在PCB布板走線時，C18和C19與芯片之間的距離也會影響到接近感應(yīng)的靈敏度，C18和C19應(yīng)盡可能靠近IC，這樣可以達到更好的抗干擾性能。

經(jīng)過調(diào)試后，最終確認以下電路較為合理，其電路方案和元器件參數(shù)如圖5所示。

圖5 最終確認的電路方案和元器件參數(shù)

3 紅外接近感應(yīng)模塊的設(shè)計

接近感應(yīng)模塊也可以才有紅外感應(yīng)方案。與電容式感應(yīng)方案的布局類似，紅外信號發(fā)送和光敏接收二級管及相關(guān)外圍元件焊接在PCB上，PCB板上方是顯示屏，顯示屏不能對紅外信號發(fā)送和光敏接收二級管造成遮擋，顯示屏上方是一個面板，因為要使紅外信號能穿過面板，所以該面板應(yīng)該是透光較好的材料。當(dāng)啟用接近感應(yīng)功能時，紅外信號發(fā)送二極管以一定的頻率不間斷發(fā)射紅外信號，當(dāng)物體靠近到預(yù)定范圍時，發(fā)射管發(fā)射的紅外信號被反射回來，接收管接收的光強達到預(yù)定的閾值，就會觸發(fā)相應(yīng)的動作，其結(jié)構(gòu)布局圖如圖6所示。

圖6 紅外接近感應(yīng)方案的結(jié)構(gòu)布局

紅外接近感應(yīng)模塊的電路設(shè)計原理圖如圖7所示。T是紅外信號發(fā)送二級管，R是光敏二極管。發(fā)送二極管T發(fā)射出紅外光信號，照射到前方物體后，紅外光經(jīng)過反射后回來，使光敏二極管R接收到紅外信號后導(dǎo)通，驅(qū)動三極管，單片機從IR_R1處讀取信號。調(diào)整R1、R2、R3和R4的電阻參數(shù)，可以相應(yīng)調(diào)整接近感應(yīng)的距離和靈敏度。

圖7 紅外接近感應(yīng)模塊的電路設(shè)計原理圖

紅外接近感應(yīng)模塊的抗干擾能力強、工作性能穩(wěn)定，但是容易受各種熱源、光源的影響。

4 結(jié)論

使用電容式接近感應(yīng)方案和紅外接近感應(yīng)方案均能實現(xiàn)接近感應(yīng)功能，但是兩者在不同的場景或者產(chǎn)品中各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點進行擇優(yōu)選擇。

電容式接近感應(yīng)方案是依靠檢測電量的變化來判斷是否有物體靠近，各個方向都能實現(xiàn)感應(yīng)，感應(yīng)面較廣。但是，如果產(chǎn)品有正離子或負離子發(fā)生器，產(chǎn)生的正、負離子會對接近感應(yīng)產(chǎn)生一定影響。另外，接近感應(yīng)還容易受到導(dǎo)電材料的影響，感應(yīng)面板或者感應(yīng)天線上方如果有金屬或者電鍍裝飾部件，也會影響接近感應(yīng)的靈敏度和準確性。

紅外接近感應(yīng)方案比電容式接近感應(yīng)方案更加簡單，成本也更低。但是，由于紅外接近感應(yīng)方案是依靠檢測反射回來的紅外信號的強弱來判斷物體的靠近，所以精度相對較低，方向性較差。紅外接近感應(yīng)模塊上方的面板要求是透光性較好的材料，面板的材料和顏色都會對接近感應(yīng)的準確性產(chǎn)生影響，而且如果感應(yīng)模塊和人體中間有障礙物，可能導(dǎo)致感應(yīng)誤觸發(fā)。