CN101382411B

CN101382411B - 一种电容式测距方法及装置

Info

Publication number: CN101382411B
Application number: CN 200710121444
Authority: CN
Inventors: 刘湘涛; 马雷
Original assignee: Lenovo Beijing Ltd
Current assignee: Lenovo Beijing Ltd
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: CN101382411A

Abstract

本发明公开了一种电容式测距装置，该装置包括：模拟数字信号转换器、转化装置、微控制器；其中，模拟数字信号转换器，连接待测电容和转化装置，用于将待测电容值转变为数字信号；转化装置，连接微控制器，用于将电容参数转化为测量参数，并将该测量参数传送到微控制器；微控制器，根据距离与测量参数的关系式计算距离并输出。本发明还公开了相应方法，设置根据测量参数计算距离的关系式、参数值；该方法还包含以下步骤：将待测电容值转变为数字信号，并将电容参数转化为测量参数；确定测量模式，根据所设置的关系式计算距离并输出。本发明能够粗略或精确计算两物体之间距离，结构简单，便于使用。

Description

一种电容式测距方法及装置

技术领域

本发明涉及测距技术，特别涉及一种电容式测距方法及装置。

背景技术

目前，实现开机、开光驱门等计算机的操作，都是通过用户的手指接触并按动相应按键后才能够实现，在计算机上缺乏能够自动探测用户与计算机之间距离，进而根据用户与计算机之间距离远近做出相应反馈和指示的装置，这使得计算机停留在仅仅是机器的状态，没有与人形成互动。

基于距离测量的传感装置有很多种，比如激光测距、无线电测距等，这类测距装置主要应用于精密测量方面，但这些装置都非常庞大、复杂和昂贵，不适合于安装在计算机上，用于测量用户与计算机之间的距离。超声波测距、红外光反射测距、图像识别测距等测距装置，体积可以制作的比较小，可以安装在计算机上，距离测量的精度也能达到厘米级，但是这类测距装置对硬件要求较高，计算量非常大，需要较高性能的微处理器才能够实现这些功能。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种电容式测距方法，能在体积小、易于实现的基础上，达到一定精度的测距目的。

本发明的另一目的在于提供一种电容式测距装置，安装简便、占用空间小，且能保证一定的测距精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种电容式测距装置，该装置包括：模拟数字信号转换器、转化装置、微控制器；其中，

转化装置，连接待测电容和模拟数字信号转换器，用于将待测电容值转化为测量参数；

模拟数字信号转换器，连接微控制器，用于将所述测量参数转变为数字信号，并输出给所述微控制器；

微控制器，根据距离与测量参数的关系式计算距离并输出；

其中，所述测量参数包括频率或电压。

所述转化装置包括张驰振荡器或微分器。

所述转化装置为张驰振荡器；

所述张驰振荡器包括恒流源、继电器、运算放大器；其中，恒流源与继电器的常开触点连接，连接点为第一节点，待测电容一端接地，另一端连接第一节点，第一节点连接运算放大器的正极，运算放大器的负极连接参考电压，运算放大器输出端连接微控制器，运算放大器输出端连接继电器的常闭触点。

所述转化装置为微分器；

所述微分器包括电压源、运算放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻；其中，电压源连接待测电容一端，待测电容另一端连接运算放大器负极，待测电容与运算放大器负极连接点为第二节点，第一反馈电阻一端连接第二节点，另一端连接运算放大器输出端，第二反馈电阻一端连接运算放大器正极，另一端接地。

一种电容式测距方法，设置根据测量参数计算距离的关系式、参数值；该方法还包含以下步骤：

A、将待测电容值转变为测量参数，并将所述测量参数转化为数字信号，所述测量参数包括频率或电压；

B、根据所设置的关系式计算距离并输出。

所述测量参数为由张驰振荡器输出的频率值F_out，所述参数包括寄生参数K、张驰振荡器的恒流源内阻R，所述步骤B中根据关系式：S＝K·R·F_out计算距离并输出，其中，所述S为距离，所述寄生参数K＝(max C_out-C)/C，其中，max C_out为用户与电容器距离趋近于零时的最大电容值，C为电容器在没有人体影响时的标准值；

或者，所述测量参数为由微分器输出的测量电压U_out，所述参数包括寄生参数K、微分器的反馈电阻R1、R2、正弦电压角频率ω；所述步骤B中根据关系式：S＝(KRω)/U_out计算距离并输出，其中，所述S为距离，所述R为所述反馈电阻R1、R2的取值；所述寄生参数K＝(max C_out-C)/C，其中，max C_out为用户与电容器距离趋近于零时的最大电容值，C为电容器在没有人体影响时的标准值。

所述步骤B进一步包括：

B1、确定测量模式，如果为粗略测量，则设定寄生参数为1，进入步骤B3；如果为精确测量，则进入步骤B2；

B2、零距离接触待测电容，记录电容最大值，根据寄生参数计算公式得到寄生参数值，所述零距离接触待测电容，是指用户与电容器距离趋近于零；

B3、根据所设置的距离与测量参数之间的关系式计算距离并输出。

步骤A所述将待测电容值转变为测量参数，是通过张驰振荡器将电容参数转化为频率；或是通过微分器将电容参数转化为电压。

本发明所提供的电容式测距方法及装置，通过将电容参数转化为便于测量的频率、电压等参数，可实现基于电容的距离测量，因此本发明具有以下优点：

1)本发明采用简单廉价的硬件平台：微控制器、运算放大器、外围电路等，将电容转化为频率、电压这样便于测量的参数，通过对频率、电压的测量，并根据频率、电压与距离之间的对应关系，就可以实现对距离的测量，由于电容只是中间量，不需要计算电容值，计算量大大减少。

2)采用本发明的测量方法，如果忽略电容寄生参数的影响，可以粗略测量出两个物体之间的距离；或者，通过计算寄生参数，也可以在厘米级别精确测量距离。

附图说明

图1为本发明思想的原理示意图；

图2为电容随距离变化的曲线示意图；

图3为本发明一种实施例的结构图；

图4为张驰振荡器结构图；

图5为本发明另一种实施例的结构图；

图6为微分器的结构图；

图7为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想如图1所示，电路板上两个相邻区域形成电容Cp的两极，当人的手指或人体靠近Cp时，人体的寄生电容C_F将耦合到Cp的两极板上，使Cp值变大，通过测量Cp的改变情况，即可测量出人体距离两个电极的距离，该方法测量的距离可以达到几十厘米。

将电容器Cp的电容值转换成数字量C_out，将此数字化后的电容值C_out输入给微控制器(MCU，Micro Controller Unit)，微控制器对输入的数据进行计算，得出人体与电容器Cp之间的距离值S。

图2是不同用户身体与电容器之间的距离与电容值C_out之间的对应关系。C_out越大，距离S值就越小，当C_out达到最大时，人体与电容器Cp距离S趋近于零；当C_out不断减小时，人体与电容器Cp距离S就越来越远。

距离与电容的关系可以用公式S＝K·C_out ^-1表示，其中，寄生参数K的取值与用户有关，不同的用户K的取值是不同的。K＝(max C_out-C)/C，其中max C_out是用户与电容器Cp距离趋近于零时的最大电容值，C是电容器Cp在没有人体影响时的标准值。

在不需要精确测量的情况下，通常取K＝1，则S＝K·C_out ^-1。

对于精确测量的情况，K值可以这样获得，不同用户在进行测量前，需要进行一次初始化，即人体与电容器零距离接近一次，获得零距离时的最大电容值max C_out，然后根据关系式K＝(max C_out-C)/C得到该用户对应的K值。

电容值通常不易测量，本发明采取转化的方式测量电容值。如图3所示，待测电容通过模拟/数字信号转换器(A/D，Analog/Digital)转变为数字信号，该数字信号输入张驰振荡器，使用张驰振荡器将电容参数转换成频率，并将频率值输出到微控制器，微控制器根据频率计算并输出距离。

张驰振荡器的结构如图4所示，该张驰振荡器包括：恒流源VDD、继电器S、运算放大器A。其中，恒流源VDD与继电器S的常开触点连接，连接点为节点P，待测电容C_out一端接地，另一端连接节点P，节点P连接运算放大器A的正极，运算放大器的负极连接参考电压Vth，运算放大器输出端连接微控制器，运算放大器输出端连接继电器的常闭触点。

张驰振荡器的工作原理为：电源VDD接通，继电器S常开触点闭合，电容C_out充电，电容C_out两端电压达到参考电压Vth值时，继电器S常开触点断开，电容器C_out放电，运算放大器A输出频率值。不同的C_out会得到相应的输出频率值，其关系式为F_out＝1/(R·C_out)，其中，R是恒流源的内阻，是一个常数，根据不同的恒流源而变化。同时，根据S＝K·C_out ^-1，得到S＝K·R·F_out。这样，通过测量频率F_out的改变情况，即可测量出人体距离两个电极的距离。

还可以使用微分器可以将电容参数转换成电压值，根据电压变化来测量电容值。如图5所示，将待测电容经过A/D转换器转化为数字信号，将该数字信号输入微分器，微分器连接微控制器，微控制器计算得到输出距离。

图6所示是微分器的结构图，电压源U_i连接待测电容C_out一端，待测电容C_out另一端连接运算放大器A负极，标记待测电容C_out与运算放大器A负极连接点为节点Q，反馈电阻R1一端连接节点Q，另一端连接运算放大器A输出端，反馈电阻R2连接运算放大器A正极，另一端接地。

微分器的输入电压U_i为正弦电压，电阻R1和R2取值均为R，根据关系式U_i＝Sinωt，U_out＝C_out·RωCosωt，可得C_out＝U_out/(RωCosωt)，(R、ω是常数)，

再由式S＝K·C_out ^-1，可得S＝(KRωCosωt)/U_out，

取t＝K∏时，S＝(KRω)/U_out。这样通过测量电压U_out的改变情况，即可测量出人体距离两个电极的距离。

采用以上装置精确测量距离的方法，具体步骤如图7所示：

步骤701：微控制器设置根据测量参数计算距离的关系式、参数值。

微控制器根据不同的转化装置设置相应的计算距离的关系式，以及对应的参数值。参数主要包括：寄生参数K、恒流源内阻R、反馈电阻R1、R2、正弦电压角频率ω、待测电容标准值C、测量模式。

步骤702：将测量的模拟电容值转变为数字信号C_out，并将电容参数转化为测量参数。

由于微控制器计算需要的是数字量，所以需要将待测电容对应的模拟信号经模/数转换转化为数字信号。

这里，可采用张驰振荡器将电容参数转化为频率，或者采用微分器将电容参数转化为电压。

步骤703：微控制器确定测量模式，根据步骤701设置的距离与测量参数之间的关系式计算距离并输出。

微控制器根据用户确定的测量模式，如果是粗略测量，令寄生参数K＝1，可得S＝R·F_out，或者，S＝(Rω)/U_out，从而粗略的计算距离S。

如果是精确测量，则用户的身体某部位靠近电容器Cp，零距离接触待测电容Cp，记录电容最大值max C_out，根据寄生参数K计算公式K＝(max C_out-C)/C，得到该用户的寄生参数K值。然后，再根据S＝K·R·F_out或S＝(KRω)/U_out，计算距离S。

在实际实施中，电容器Cp的形态可以根据需要来确定，它可以是印刷在电路板上的电极，也可以是用金属导线围成的一组线圈。

实际应用中，将本发明的装置安装在台式计算机的主机上，分别在主机的光驱门位置、主机开关位置、前面板输入输出端口位置等，放置用金塑线圈围成的电容器Cp，通过对采集来的各个Cp值进行的比较，就可以判断出用户身体与相应位置的距离，根据这些距离值的变化，可以控制指示灯闪烁，或根据距离远近使指示灯进行明暗变化，或者是控制主机的开关机，控制光驱门的开闭等等。本方案还可以应用到显示器及其他家电上。

对于不同的身体部位，寄生参数K值可能会不同，需要区分身体各个部位时，在步骤704中对身体每个部位接近电容一次，得到该部位对应的寄生参数，以便后续的计算。采用本发明的方法，还可以测量其他物体与电容之间的距离，所基于的原理和采用的流程和测量人体与电容间距离是完全类似的。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1.一种电容式测距装置，其特征在于，该装置包括：模拟数字信号转换器、转化装置、微控制器；其中，

微控制器，根据距离与测量参数的关系式计算距离并输出；

其中，所述距离与测量参数的关系式为：S＝K·C_out ^-1，

式中：S为距离，C_out为由电容器的电容值转换成的数字量，K为寄生参数，且K＝(max C_out-C)/C，其中max C_out是用户与电容器距离趋近于零时的最大电容值，C是电容器在没有人体影响时的标准值。

2.根据权利要求1所述的电容式测距装置，其特征在于，所述转化装置包括张驰振荡器或微分器。

3.根据权利要求1所述的电容式测距装置，其特征在于，所述转化装置为张驰振荡器；

4.根据权利要求1所述的电容式测距装置，其特征在于，所述转化装置为微分器；

5.一种电容式测距方法，其特征在于，设置根据测量参数计算距离的关系式、参数值；该方法还包含以下步骤：

A、将待测电容值转变为测量参数，并将所述测量参数转化为数字信号；

B、根据所设置的关系式计算距离并输出；

其中，所述根据测量参数计算距离的关系式为：S＝K·C_out ^-1，

式中：S为距离，C_out为由电容器的电容值转换成的数字量，K为寄生参数，且K＝(maxC_out-C)/C，其中maxC_out是用户与电容器距离趋近于零时的最大电容值，C是电容器在没有人体影响时的标准值。

6.根据权利要求5所述的电容式测距方法，其特征在于，所述测量参数为由张驰振荡器输出的频率值F_out、张驰振荡器的恒流源内阻R，所述步骤B中根据关系式：S＝K·R·F_out计算距离并输出；

或者，所述测量参数为由微分器输出的测量电压U_out，所述参数包括微分器的反馈电阻R1、R2、正弦电压角频率ω；所述步骤B中根据关系式：S＝(KRω)/U_out计算距离并输出，其中，所述R为所述反馈电阻R1、R2的取值，且取t＝KII。

7.根据权利要求6所述的电容式测距方法，其特征在于，所述步骤B进一步包括：

8.根据权利要求5所述的电容式测距方法，其特征在于，步骤A所述将待测电容值转变为测量参数，是通过张驰振荡器将电容参数转化为频率；或是通过微分器将电容参数转化为电压。