CN111538269B - 一种非接触按钮传感器单元及触发的方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触按钮传感器单元，电容传感器为一个凸字形布置的中心电极和外围电极，电容数字转换电路测量人体手指接近后的中心电极和外围电极的自电容和互电容，计算判断手指是否进入区域范围及停留时间以及虚拟点击，以此控制模块输出该按钮的控制逻辑信号；借助这个传感器单元构成的按钮，检测人体手指接近某个中心电极上部有效悬停触发区域范围，通过声光反馈控制电路提供人体手指进入某个中心电极上部有效悬停触发区域范围的三态响应；本发明创造提供了结构设计合理，有效抵御各种干扰，充分利用电容检测的低成本和成熟的CDC芯片技术，为卫生敏感提供了可以普及推广的商业化技术解决方案。

Description

一种非接触按钮传感器单元及触发的方法

技术领域

本发明创造涉及公共卫生的按钮，特别是考虑卫生敏感下的感应按钮，例如水龙头、抽水马桶的冲水按钮、开水器的防水按钮等，尤其是电梯的按钮设计。

背景技术

新冠肺炎疫情的出现，加上季节性流感现等情况，对于电梯的消毒，特别是按钮开关的消毒，面临巨大的工作量，甚至难以实现病毒的消毒处理，为此社会上出现对接近感应按钮的需求，因为直接接触公共区域的按钮开关，例如电梯楼层选择和开关门的按钮，卫生间的冲水开关，公共饮用水开关等容易导致感染传染性疾病，而非接触式的按钮可以避免这样的风险。

对于人体的接近，特别是操作电梯按钮的手指的接近，有很多技术方案可以采用，包括摄像头、红外或射频等技术，例如中国201480079328.5号专利；但电容感应是各种感应方案中成本最低的方案。

对于目前公共区域大量使用的光电感应水龙头，以及冲水马桶的人体感应控制，除了感应控制器成本比较高以外，还存在很多难以自己掌控随心所欲的问题，例如清洗衣服及用毛巾洗脸时，感应龙头难以正常工作，使用者需要一种十分接近实体水龙头控制的感应控制技术。

中国专利201480079328公开了一种利用手势控制电梯的技术方案在其说明书中，提到了类似摄像等技术来记录手势，包括预先设置手势，其主要的技术构成是先记录甚至定制手势，把这些手势的数据记录在系统中形成手势库，然后在侦察到一种手势命令后，与手势库进行对比，判断出手势的含义，有点类似目前已经开始普及起来的人脸设别技术；该技术需要的硬件设备多且昂贵，另一方面，使用者的定制也是非常困难的，由于人体手势及动作方式千奇百怪，在准确判断识别和抗干扰这二个矛盾方面，该技术存在相当大的挑战，目前市面上没有出现这个产品也间接说明该技术的难度。

申请号201610551225.5，提出带有凹槽的电容式接近按钮，电容式接近按钮设置在凹槽底部，通过阈值设计人手指必须伸进凹槽内才能触发接近按钮，该申请并未披露电容接近按钮的具体电容测量方法，该方案存在存在着使用者的手指伸进凹槽容易触碰凹槽内壁的缺陷，特别是在电梯这种灯光相对昏暗及人员可能拥挤的环境中，同时，手势感应的使用者不太可能保证其动作的手指能够完全受控而不会产生抖动，否则就失去卫生敏感的意义；另外一方面，该专利对于温湿度等环境因素对设定阈值的影响也无法避免。

美国专利US7498822公开了一种电容感应人体手指接近的方案，也是采用类似的凹形设计的电容电极，同样存在上述问题，如果设法避免上述问题，按照我们的实验来看，需要让手指与开关壁有2cm以上的距离作为设计基础，那么，凹形电极设置的开关，最少需要5cm的内径设计，使得电梯众多开关按钮的排布成为挑战；另外，该专利披露了单纯模拟电路来测量电容的技术方案，并且还进一步为了消除相互串扰，特意采用等电势的办法和采用差分放大器等，但经过我们反复实验，人体手指对于电梯环境下设计的一个电极在防止无意触碰的安全距离下，所能够产生的电容值变化大体是10ff量级的，单纯模拟电路很难在测量与消除环境影响间取得较好的效果，所需要的器件成本也很高。另外，凹形电极布置的结构将增加悬停按钮结构成型的复杂度，导致加工成本的上升，并影响悬停按钮的美观和今后电梯的清洁消毒工作。美国专利US7498822仅仅采用测量自电容的方法，而排斥互电容的测量方法，没有利用互电容抗干扰能力强的优点，提高悬停按钮的性能，此外，该专利由于没有悬停按钮必须的声光反馈系统，会给操作者造成使用悬停按钮的困惑和不便。

现有成熟技术的电容数字转换电路(CDC)，例如DAI7142、ADI7147，采用Δ-∑调制方式通过多次对被测电容进行充放电并于参考电容比较的方法(参见：US Patent Number：5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，可以将对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，容易满足测量系统在安全距离下对电容测量灵敏度的要求，特别是，这些芯片的设计具有多个通道，使得电路设计简单方便，从而有效降低成本和安装难度。

相比于摄像头、红外或射频等技术，在检测人体接近方面，电容检测技术具有电路结构简单，成本低廉等特点，但同时也存在着电容变化不大而对检测分辨率的高要求，还有电容检测极容易受到环境的影响。

一般而言，电容电极构成的自电容以及电极间构成的互电容，都会受到接近的手指的影响，有效利用这些影响同时考虑自电容测量和互电容测量的不同特性来检测手指接近程度，同步排除身体其它部位、误动作、环境对电极电容测量的影响，目前还不是很容易的。

对于采用电容感应人体手指接近的悬停按钮，需要充分考虑使用者的不同感应习惯，同时要防止身体其它部位的感应及清洁工清洁时的动作带来的误触发，做到精确判断，在电梯这样的环境下，是相当困难的，所以，至今没有见到商业化的产品问世。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，创造一种特别适合悬停按钮特点的电容传感器，再配合成熟的电容数字转换技术，充分利用了CDC电路对杂散分布电容免疫的特长，采用了自电容和互电容相结合的测量方法，加上三态声光反馈电路，考虑人体手指接近的特点，避免各种不同的干扰，精确判断手指的接近动作来触发按钮，不但适合电梯的配套，而且适合现有电梯按钮的改造，同样适用于其它卫生敏感的按钮控制，整体成本容易被商业化所接受。本发明创造出一个对应一个按钮的电容传感器单元，非接触按钮传感器单元，包括：电源电路，电容传感器，电容数字转换电路，控制模块，声光反馈控制电路，通讯电路；

所述电容传感器由一组或者多组电极构成，每组电极包括至少一个中心电极、至少一个围绕中心电极设置的外围电极，中心电极凸出外围电极1.1-8.8mm的高度；

所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；

上述中心电极、外围电极均连接电容数字转换电路，检测该组中心电极、外围电极感应人体手指接近后的自电容和互电容；

所述电容数字转换电路与所述控制模块连接，所述控制模块依据人体手指指向所述中心电极上部的有效悬停触发区域范围及在此范围内的驻留时间和/或虚拟点击输出该按钮的触发逻辑信号。

控制模块可以采用MCU，随着电子技术的不断发展，都出现了电容数字转换电路CDC与控制模块MCU合二为一的芯片，如CYPRESS的PSoC 4100SPlus系列等但其功能组成如故。

同时，在上述的传感器单元基础上，本发明的按钮触发方法是通过电容传感器检测和计算人体手指进入某个中心电极上部有效悬停触发区域，通过声光反馈控制电路提供人体手指进入所述有效悬停触发区域的预触发响应；

如果人体手指进入比有效悬停触发区域更接近中心电极的快速触发区域，则直接输出人体手指所指按钮的触发逻辑信号并且同时声光反馈控制电路给予触发状态响应；否则，持续检测人体手指是否停留在所述有效悬停触发区域，如果是并且超过设定的悬停时间，和/或检测到人体手指在有效悬停触发区域内有悬空的点击动作，即虚拟点击动作，输出人体手指所指按钮的触发信号并且同时声光反馈控制电路给予触发状态响应；如果在设定的悬停时间内检测到手指离开了所述有效悬停触发区域，则返回无触发状态。

特别是，本发明创造的电极布置，还有以下优点：第一、从根本上避免了手指接触侧壁的风险；第二、无需考虑侧壁安全距离，从而有效的缩小了悬停按钮的直径，可以将整个按钮外径控制在3CM以下，可以轻易满足多排按钮的空间布局要求；第三、通用积木化设计，便于大规模量产；第四、由于不需要手指插入凹容器，多排凸结构悬停按钮表面可以统一用平面装饰材料，例如玻璃、亚克力或其他非导电材料进行装饰，而凸结构本身可以用一层或两层PCB板低成本实现。

附图说明

图1为发明创造的使用状态示意图，也表示了手指相对于按钮的接近状态，图中实线和虚线分别表示了一种人体手指指向按钮的不同角度状态。

图2为本发明创造的传感器立体图，包括图2-1是人体手指水平方向接近电容电极的示意图；图2-2是人体手指45°方向接近电容电极的示意图；图2-3人体手指垂直方向接近电容电极的示意图；图2-4是人体整个手掌接近电容电极的示意图。

图3，包括图3-1和图3-2，为本发明创造的人体手指及手掌在工作时与电容电极的位置关系以及所体现出的电容等效原理图，其中图3-2比图3-1更清晰表示出感应范围的示意图。

图4为本发明创造的单个电容电极单元下电容传感器结构图，其中图4-1俯视地表达几个电容电极的相互关系，图4-2，4-3剖视地反映电容电极的布置示意图。

图5为本发明创造涉及一组以上电极单元的电极布置示意图。

图6为本发明创造检测电容的时序安排示意图。

图7为类似于图4-2的单个按钮时电容电极设计与其它电路相结合的结构排布示意图；

图8是电梯上下按钮/双按钮基本单元应用本发明创造的一个表达结构上布置的爆炸示意图。

图9为本发明创造的电容电极测量及控制等原理图。

图10是电梯内多排按钮设置上的电路结构示意图。

图11包括图11-1、图11-2、图11-3、图11-4、图11-5、图11-6分别是中心电极和外围电极各种结构形式的示意图。

图12系本发明创造判断手指接近与否等的系统流程图。

图13，包括图13-1反映了手指对电极自电容的影响示意图及图13-2给出了此时的等效电路。

图14，包括图14-1反映了手指对二个电极间互电容的影响示意图及图14-2给出了此时的等效电路。

图15是手指在有效悬停触发区域内作出虚拟点击动作后中心电容的电容值变化的曲线。

具体实施方式

本发明创造适用于卫生敏感场合按钮的手指接近来感应控制，下面主要以电梯按钮加以详细的介绍，通过这些介绍而成就的技术，同样适用其它卫生敏感的按钮控制。

对于采用电容测量来计算判断手指接近电极的情况，有必要对电极的自电容和互电容的情况加以说明，结合图13和图14；电容检测人体接近的原理可以分为自电容检测和互电容检测两种方式，互电容的检测原理参见图13-1，当人体接近时，两个电极之间形成的互电容Cm的电场线被人体扰动导致互电容Cm电容值会发生变化，且该变化与人体接近两个电极的平均距离成正比，在其中一个电极施加激励信号，在另一电极接测量电路，即可检测互电容的变化值，其等效测量电路如图13-2所示，一般互电容测量距离较小，但抗干扰能力较强；自电容的检测原理参见图14-1，人体接近单个电极时，单个电极与人体之间会形成自电容Cs，该自电容Cs通过人体对大地的等效电容Ca接地，Cs与人体接近所述单个电极的距离成正比，人体对大地的等效电容Ca约为200PF，而自电容Cs的变化范围通常小于1PF，图14-2是测量自电容的等效电路，可以看出Ca和Cs是串联关系，依据串联电容公式，串联电容等效电容Cx＝Ca＊Cs/(Ca+Cs)，因为Ca远大于Cf，所以份子Ca+Cs≈Ca，于是有Cx≈Ca＊Cs/Ca＝Cs，即可以将互电容Cs近似为所述单个电极对地的电容，因此测量自电容就等同于测量单个电极对地的电容，互电容与人体距单个电极的距离成正比关系；与互电容的激励信号和测量电路分别连接两个电极不同，自电容的激励信号与测量电路连接在同一个电极上，一般自电容测量距离较远，但抗干扰能力较弱；相反，互电容的测量距离相对受到电极布置的影响，相对小一点，但其抗干扰能力强。

对于电梯按钮，分三种情况，一是一个按钮的情况，二是上下二个按钮的情况，三是电梯轿厢里多个按钮的情况；

对于电梯的使用者，利用手指从上下左右各个不同角度去触发某个按钮都是可能的，在接触式按钮开关的应用场景中，平行于按钮的方向，在360度范围内，人的手指无论从任何方向角接触按钮都应该触发开关，而在垂直于按钮的方向，手指从0至90度以任何角度接触按钮都应该触发开关，同样悬停按钮也应该满足与接触式按钮同样的方向和角度范围内可以有效触发开关的要求。图1中显示了人体手指接近按钮电极的三种状态，包括实线所示的平行进入，虚线所示的45°角度进入和垂直90°角度进入，图中4-1为按钮面板，1-1为中心电极，1-2为外围电极。本发明创造就是要让这三种手指的接近方式都能够得到响应。

非接触按钮需要有效防止人体大面积接近悬停按钮时造成的误触发，包括电梯内人多时臂部或背部靠近或紧贴悬停按钮、清洁时手掌或拳头贴近悬停按钮等各种误触发的情形。要充分利用人体手掌伸出一个手指这种指向动作下，需要设计的电容电极有相当大的冗余量来加以区分。

图2表示了人体手指三个状态去触发按钮的示意图以及手掌接近按钮的示意图，本发明要求触发悬停按钮的方法是：用食指伸出，其余4指握拳，这种动作也是人体手指正常的指向动作；如图1所示，在垂直于悬停按钮的方向，可以在0到90度范围内以的任意角度接近中心电极，在平行于悬停按钮的方向上，可以在360度范围内以任何角度接近中心电极。图2-1，2-2和2-3分别示出手指在垂直于悬停按钮方向以0度(水)平、45度和90度角接近悬停按钮的情况，其中手指到中心电极的投影面积S1在0到90度范围内基本保持不变，而手指到外围电极的投影S2在0到45度角范围内基本保持不变，约为外围电极面积s21的1/2πr2，其中r2是外围电极的半径。由于受握拳的其余4指的影响，在45度到90度范围内投影面积S2逐渐增大，到90度角时达到最大值，约为外围电极面积S21的1/4。在手指之间到中心电极距离d1保持在最小安全距离(2CM)不变的前提下，手指到外围电极的距离d2随手指与悬停按钮的垂直角度从0度到90度，从最小d2＝d1+Δd到最大d2＝d1+手指长度范围内变化。图2-4以手掌为代表示出了人体大面积部位接近悬停按钮的情况，由于手掌可以完全覆盖悬停按钮，所以手掌到中心电极的投影面积等于中心电极本身的的面积S11，手掌到外围电极的投影面积等于外围电极本身的面积S21，手掌到中心电极的距离d1同样保持在最小安全距离的条件下，手掌到外围电极的距离d2＝d1+Δd。本发明实施例选择中心电极半径r1为1.25CM，外围电极内环半径为1.25CM，外环半径r2为1.75CM，凸电极结构中心电极与外围电极的高度差Δd为0.5CM，下表给出了大体直径1CM的手指从不同角度接近悬停按钮和手掌接近悬停按钮时C1/C2的理论计算值：

从表中可以看出，水平手掌的C1/C2＝1.3，而手指各个角度的C1/C2＞＝7，15，表明以手掌为代表的大面积身体部位于与小面积的手指有明显的区别，我们按3倍的冗余量选取C1/C2的阈值为3＊1.30＝3.9，就可以非常可靠的区分手指和手掌的接近，我们公司实验室对此进行的大量实验数据也证明了上述结论。

分时测量

如图6所示，本发明采用电容数字转换电路CDC电路内的模拟开关周期性的分时检测中心电极1-1与人体构成的自电容C1和外围电极1-2与人体构成的自电容C2以及中心电极1-1与外围电极1-2构成的互电容C3，将一个测量周期T分为3个时间片段T1、T2和T3。如图6所示，T1时间段，模拟开关3-3和3-5闭合，模拟开关3-4和3-6断开，此时方波激励信号施加于中心电极1-1上，而电容测量信号也从中心电极1-1取出；T2时间段，模拟开关3-3和3-5断开，模拟开关3-4和3-6闭合，此时方波激励信号施加于外围电极1-2上，而电容测量信号也从中心电极1-2取出；T3时间段，模拟开关3-3和3-6闭合，3-4和3-5断开。此时方波激励信号施加于外围电极1-2，而电容测量信号从中心电极取出。采用上述分时测量的方法，一方面可以将电容检测灵敏度提高到ff极，以满足最小安全距离的要求，另一方面不需要采用PatentNo.：US 7,498,822 B2提出的保持中心电极和外围电极的等电位以消除C3的影响，相反利用分时测量不受C1、C2影响的C3，可以使悬停按钮保留接触式快速触发的功能。

有效悬停触发区域

如图3-2所示，本发明利用测量C1，C2和C3的电容值，通过计算设定了位于中心电极1-1上部虚线圆柱体表示的本发明悬停按钮的有效悬停触发区域2-9，当手指进入该区域，并在该区域悬停时间超过规定的悬停时间阈值(例如1秒钟)时，悬停按钮即被触发。本实施例将有效悬停触发区域的底面到中心电极1-1的距离dmin设定0.5CM′一旦手指与中心电极的距离小于0.5CM，就不需要任何悬停时间，悬停按钮可以立即被触发。有效悬停触发区域的上面到中心电极的距离dmax设定在4CM，手指到悬停按钮的最小安全距离dsaf设定为2CM，这样可以保证在最小安全距离以上有2CM的垂直抖动区间，提高触发的可靠性，有效悬停触发区域的半径r约等于中心电极的半径r1。如图3-1所示。在Δd确定的条件下，上述垂直距离dmax、dsaf、dmin均与电容比C1/C2成单调函数关系，可以通过计算C1/C2的值来确定，Δd越大垂直距离分辨率越高，但Δd太大会降低悬停按钮的灵敏度，因此一般应选择在0.1CM至1CM之间，通过反复的实验，发现二个电极间距(高度差)1.1-8.8MM是比较合适的，兼顾了测量的灵敏度，电极设计以及适用于广大用户，本实施例优选Δd＝0.5CM。有效悬停触发区域的设定计算原理如图2、图3-1和图3-2所示，其中Δd是凸结构中心电极1-1与外围电极1-2之间的高度差，d1是中心电极到手指的距离，d2是外围电极到手指的距离，S1是手指在中心电极上的投影面积，S2是手指在外围电极上的投影面积，由电容基本公式可得

C1/C2＝ε1＊S1＊d2/ε2＊S2＊d1＝ε1＊S1＊(d1+Δd)/ε2＊S2＊d1，---(1)

其中ε1和ε2分别是电容C1和C2的介电常数，在同样的测量环境下，ε1＝ε2，因此约分后(1)式变为：，C1/C2＝S1*(d1+Δd)/S2*d1-----(2)

(2)式表明C1/C2与介电常数无关。(2)式整理后可得：

D1＝Δd/((S2/S1)＊(C1/C2)-1)---(3)

由于手指在垂直于中心电极1-1方向上从0到90度变化时其投影面积S1和S2基本不变，即S2/S1是常量，因此(3)式表明手指接近距离与两个电容的比值C1/C2成一一对应的反比关系，即用C1/C2可以计算出手指接近的距离d1，因此，如图3-2所示的近似圆柱体的有效悬停触发区域2-9的最大高度dmax、最小高度dmin和最小安全距离dsaf均可通过C1/C2的对应比值设定，而有效悬停触发区域2-9的半径r可以利用中心电极1-1和外围电极1-2之间的互电容C3的电容值限定约等于中心电极1-1的半径r1的范围内。注意在(3)式中已经没有介电常数ε的影响，从而消除了测量环境的温度、湿度和不同介质对距离测量精度的影响。

对于图11中出现的各种中心电极，那么所述的中心电极上部的有效悬停触发区域为一个柱体，其剖面形状为中心电极的外周投影，其底部为离开中心电极的距离dmin，其上面到中心电极的距离dmax，上述的dmin为0.5CM，dmax为4CM。对于dmin，主要考虑互电容检测判断非常准确，不太受到环境影响，而且设定这个数值是判断使用者是否想快速触发的考虑，而对于dmax的设置，有效平衡了测量的分辨率、准确度，还平衡了使用者手指在悬停触发过程中必要的抖动带来的问题。

悬停时间

在多个悬停按钮应用情形下，当手指寻找目标悬停按钮的有效悬停触发区域时，可能会途径相邻布置的悬停按钮的有效悬停触发区域而造成相邻悬停按钮的误触发，以避免将相邻的悬停按钮误触发；本发明采用规定手指在悬停按钮有效悬停触发区域悬停时间的方法，以避免途径按钮的误触发。依据不同的应用场景，悬停时间可以规定在0.3s到5s之间，原则上，悬停时间越长，防误触发效果越好，但悬停时间太长会延长触发响应时间，影响用户的操作体验，本发明实施例的电梯悬浮按钮规定悬浮时间为0.5s-1s。

快速触发区域

如上所述，悬停按钮需要有悬停时间(例如0.5s-1s)，为了满足人们多样化的需求，以及紧急形况下对悬停按钮的快速触发要求，悬停式按钮必需要保留接触式快速触发的功能，即手指接触到悬停按钮表面时无需等待悬停时间结束，立即触发按钮开关的功能，参见图3-2当人体手指比上述有效悬停触发区域范围更接近中心电极，即手指距中心电极的距离小于dmin时，就进入快速触发区域2-10，此时无需等待悬停时间结束，悬停按钮将立即被触发。

点击触发

参见图15，手指进入有效触发区后，在空中做一个虚拟点击按钮的动作，该动作定义为手指指尖进行一次先向下再向上的快速摆动，中心电极1-1的电容值C的变化会形成一个尖峰曲线如图15所示，其中ΔC表示手指虚拟点击引起的电容变化幅度(一般大于500ff)，ΔT表示手指虚拟点击动作引起的电容曲线尖峰的时间宽度(一般在300ms-1s以内)，我们只要规定ΔC的阈值(比如200ff)和ΔT的范围(例如：200ms＜ΔT＜1000ms)即可依据检测到的ΔC和ΔT判定是否有手指虚拟点击动作发生。虚拟点击的一种应用方法是，若判定有虚拟点击动作发生可以不必延时等待达到有效触发时间阈值，直接进入触发状态，以加快触发按钮的速度；另一种应用方法是即便检测到手指虚拟点击动作，也要等待延时等待达到有效触发时间阈值，必须同时满足即虚拟点击和达到有效触发时间阈值两个条件，才触发非接触按钮键，此种方法可以进一步提高非接触按钮的抗干扰能力。当手指在有效悬停触发区域内做出点击的动作后，中心电极1-1，会产生电容变化的一个尖峰波形，对此，还可以借助微分计算其变化率等数学方法，很容易发现电容值斜率变化的拐点，并且由此判断手指有了点击的动作。那么系统就可以以此作出响应，输出使用者需要的逻辑信号，达到非接触点击按钮的目的；这个点击动作的判断方案可以复合上面的悬停的判断方案，即二者是和/或关系。在本文中，有提及″悬停″方案时，都可以替换″点击″方案，也可以二个方案同时具备。

主动屏蔽

参见图4-1单个电极单元及图5相邻二个电极单元的示意图，为了抑制相邻电极单元间或者环境对中心电极1-1，、外围电极1-2的干扰和串扰，设置了防串扰电极1-4，但防串扰电极1-4的设置，会带来中心电极1-1、外围电极1-2测量灵敏度下降的问题，为了提高其测量的灵敏度，在外围电极1-2与防串扰电极1-4间，设置主动屏蔽电极1-3，而主动屏蔽电极1-3是依靠电容数字转换电路CDC中成熟的技术，即依靠CDC中的运算放大器构成与中心电极或者外围电极相连而成的电压跟随器，使得中心电极1-1或外围电极1-2与大面积金属地或接地电极1-4之间的主动屏蔽电极1-3保持等电位，从而避免或减少测量电极电场能量对地旁路的损失，以提高电容C1和C2的测量灵敏度，从而满足最小安全距离的要求。

进一步，在很多悬停按钮应用的场景下，在悬停按钮底部通常有大面积的金属接地，例如电梯轿厢箱体一般由金属构成，为安全起见轿厢箱体需要接地，对于悬停按钮的自电容C1，和C2而言，底部大面积的接地金属会大幅降低C1和C2测量灵敏度，从而使悬停按钮无法满足最小安全距离的要求，如图4-2所示，本发明在凸结构外围电极1-2的底部设置了另外一个主动屏蔽电极1-7，在图4-2的实施例中，依靠PCB板的过孔1-8(把主动屏蔽电极1-3与1-7连通，实验表明，采用上述结构可以将相邻外部电极之间的串扰和大面积接地金属的影响降低到可以接受的程度。

声光反馈

接触式按钮通常可以通过机械开关的位移动作或声光反馈电路给操作人员提供两个状态的触觉反馈，即触发状态和无触发状态，以便操作人员确认已经成功触发了按钮开关，可以让手离开按钮。参见图8、图9和图10，本发明的悬停按钮也包含声光反馈控制电路5-3和多色LED指示灯5-4，与上述接触式按钮的两个状态的触觉反馈不同，为了避免手指途经有效悬停触发区域造成的无触发，需要手指在有效悬停触发区域内悬停规定的时间，悬停按钮需要至少3个状态的非接触触觉反馈(借助灯光或声音实现)。第一个状态是无触发状态，表示手指未进入有效悬停触发区域，可以用灯灭或无声表示；第二个状态是预触发状态，表示手指进入了有效触发范围，可以用单色灯闪烁或点亮多色灯的某一特定颜色(例如：黄色)表示，或用某种提示音表示，以提醒操作人员已经进入悬停按钮有效悬停触发区域触发区域，第三种状态是触发状态，表示手指在有效触发区内已经悬停了规定的悬停时间，悬停按钮被触发，可以用单色指示灯从闪烁变换到常亮或多色指示灯变化另一种颜色表示，或用另外一种提示音表示。

原理框图说明

参见图9，中心电极1-1，外围电极1-2和主动屏蔽电极1-3、1-7都接入CDC，CDC周期性分时测量中心电极1-1与人体之间形成的自电容C1、外围电极与人体之间形成的自电容C2、中心电极1-1和外围电极1-2之间形成的互电容C3，为了提高C1或C2的灵敏度，利用CDC内的运算放大器构成电压跟随器，使电极1-3和1-7与1-2形成等电位达到主动屏蔽的效果(再参见图4-2，4-3)。CDC将测量到的C1、C2和C3的电容值输入给MCU，MCU计算C1/C2的值，并依据C1/C2和C3的值通过计算判手指是否进入或离开了有效悬停触发区域2-9，依据判断的结果通过声光反馈控制电路提供三态声光反馈，同时通过通讯电路将悬停按钮的触发逻辑信号发送给电梯中央控制器。

电极布置形式

为了满足手指平行于悬停按钮不同方向触发开关的一致性要求，中心电极最好采用圆形、外部电极采用环形最好，当然也可以采用多边形，中心电极可以采用多个电极布置，利用多个电极之间的互电容进一步提高快速触发区域的可靠性，而外围电极也可以采用多电极布置，这样有利于更精确的确定有效出触发区域近似圆柱体的半径。图11-1，11-2，11-3，图11-4，11-5，11-6分别给出了中心电极2片的布置方式，中心电极3片的布置方式，中心电极6片外围电极2片的布置方式，中心电极3片外围电极1片非闭环，中心电极两片外围电极非闭环，中心电极1片外围电极非闭环的示意图。即中心电极可以由多瓣构成，外围电极为闭环或者开环的圆环构成，或者由半圆环构成。此外，防串扰接地环形电极1-4和主动屏蔽电极1-3也可以布置在与中心电极在同一水平面上如图4-3所示。

操作方法

本发明的悬停按钮操作方法如图12所示，悬停按钮上电启动时先输出无触发逻辑信号，然后进入无触发周期性循环检测和计算阶段，此阶段判断手指是否进入有效悬停触发区域，若否，声光反馈控制电路输出无触发状态，并继续循环进行检测和计算，直到检测和计算出手指已经进入有效悬停触发区域后，声光反馈控制电路输出预触发状态，同时悬停计时器开始计时，进入预触发循环检测和计算阶段。在所述预触发循环检测计算阶段内，若手指离开了有效悬停触发区域，则悬停计时器清零，声光反馈控制电路输出无触发状态，并返回无触发循环检测和计算阶段；若手指进一步进入了快速触发区或悬停计时器超过预定的悬停时间和/或判断出现了手指虚拟点击动作，则声光反馈控制电路输出触发状态，同时输出逻辑触发信号，并进入触发后循环检测和计算阶段。在所述触发后循环检测和计算阶段内，若手指离开有效悬停触发区域，则输出无触发状态信号，悬停计数器清零，同时声光反馈无触发状态，并返回无触发循环检测和计算阶段。本发明的悬停按钮操作方法可以满足以下三种操作模式的要求：第一是单次触发模式，即触发后手指可以立即离开有效悬停触发区域，且不需要再次触发(适用于电梯、各种门开关、马桶冲水开关等)；第二是持续触发模式，即触发后手指可以立即离开有效悬停触发区域，同时持续输出触发逻辑信号，直到手指第二次触发悬停开关才输出无触发信号(适用于洗澡或洗手盆水龙头开关、各种照明灯开关灯控制)；第三是悬停保持触发方式，即触发后手指继续保持在有效悬停触发区域内，期间持续输出触发逻辑信号，直到手指离开有效悬停触发区域才输出无触发逻辑信号(适用于办公室、高铁、机场、车站等场所的公共饮用水控制按钮)。

鉴于电容传感器容易受到干扰及人体手指在使用场合环境条件限制下的测量灵敏度问题，需要充分利用目前成熟的电容数字转换电路CDC的技术，再配合电容传感器的设计来实现本发明创造的目的。

实施例

针对电梯按钮是一个的情形，即最低楼层和最高楼层的呼叫按钮，图7给出了最合理的一个实施例，该实施例也可以方便应用于其它类似的领域，例如水龙头的触发按钮设计上；对于电梯上下开关设计的二个按钮(双按钮基本控制单元)的方案，图8给出了一个合理安排的实施例；对于电梯轿厢中更多的楼层按钮，考虑每个CDC芯片的接口能力、线路板设计上保证测量的可靠性和精度，以及经济性上的考量，最优的设计是把一排按钮集合在一起，每排按钮集合之间靠串行接口搭积木似的连接起来，再与总控制器相连。下面以三个实施例方式分别予以介绍：

第一实施例

本发明的悬停按钮的一个实施例是独立的悬停按钮，如独立悬停按钮结构图图7和电路原理框图图9所示，采用多层线路板1-6制作，中心电极1-1制作在线路板顶层，外围电极1-2制作在线路板第二层，线路板第三层制作主动屏蔽电极1-7，线路板第4层上布置有电源电路5-1，通讯电路5-2，CDC电路3，声光反馈控制电路5-3。电路板第一层上有LED发光元件5-4，面板4-1采用亚克力或透明PC制作，顶层采用发光油墨丝印出按键形状，顶层其它位置采用不透光油墨丝印以保证LED发光元件5-4点亮时可显示按钮状态。面板4-1背面与按键多层线路板顶层采用粘接方式连接，金属壳体4-7与多层线路板及面板也可以采用粘接方式连接。如图9的等效电路图所示，在多层线路板1-6底层上有集成了CDC和MCU的CDC专用芯片3，用于测量悬停按钮的电容值C1、C2和C3，并通过计算C1/C2的比例和比较C3的大小实现悬停按钮的功能。在多层线路板1-6顶层上还设置了多色LED发光元件5-4及在多层线路板底层上的声光反馈控制电路5-3，用于实现前述三态灯光反馈(即在手指未进入有效悬停触发空间亮绿灯、手指进入有效悬停触发空间后亮紫色灯，悬停按钮被触发后亮红灯)，在多层线路板顶层设置中心电极1-1第二层设置外围电极1-2、第三层设置主动屏蔽电极1-7，以同时避免金属机壳地4-7和底层控制电路层使灵敏度下降的问题。在线路板第4层上布置有电源电路5-1，CDC电路3，通讯电路5-2，通过串行通讯接口与电梯的控制和信号系统通讯，实现电梯的外呼控制和灯光指示功能。本发明的凸结构悬停独立按钮结构简单成本低，可以很方便用来替换现有机械接触式独立按钮开关。

第二实施例

本发明的悬停按钮的另一个实施例是用于电梯外呼的双悬停按钮，如结构图8和原理框图9所示，两个悬停按钮的中心电极1-1采用银浆丝印在透明面板4-1上，透明面板4-1下设置用于使灯光反馈光线均匀的匀光板4-2，透明面板和匀光板通过框架4-3与外围电极PCB板4-4固定，并通过框架将凸电极结构中心电极与外围电极的垂直距离差Δd控制在0.5CM，在电极PCB板4-4的下方设置控制PCB板4-6，如图9的等效电路图所示，在控制PCB板4-6上有集成了CDC和MCU的CDC专用芯片，用于测量悬停按钮的电容值C1、C2和C3，并通过计算C1/C2的比例和比较C3的大小实现悬停按钮的功能。在控制PCB板4-6上还设置了多色LED指示灯5-4及声光反馈控制电路5-3，用于实现前述三态灯光反馈(即在手指未进入有效悬停触发空间亮绿灯、手指进入有效悬停触发空间后亮紫色灯，悬停按钮被触发后亮红灯)，在PCB版4-4上层设置外围电极1-2、环形主动屏蔽电极1-3和环形接地电极1-4.在PCB版4-4下层设置主动屏蔽电极1-7，该主动屏蔽电极与电极PCB板4-4上的环形主动屏蔽电极通过PCB过孔1-8相连相连，以同时避免金属机壳地和外部环形接地电极使灵敏度下降的问题。在控制PCB板4-6上还设置有电源电路5-1，CDC电路3，通讯反馈电路5-2，通过串行通讯接口与电梯的控制和信号系统通讯，实现电梯的外呼控制和灯光指示功能。

第三实施例

本发明的悬停按钮的另一个实施例是用于电梯轿厢内选层控制的多排悬停按钮，如结构图10和原理框图9所示，将多个双按钮基本控制单元4和一个集中控制器6布置在金属框架上通过6-1独立单元通讯线串联起来并接入集中控制器6。双按键基本控制单元4结构参照图8，两个悬停按钮的中心电极1-1采用银浆丝印在透明面板4-1上，透明面板4-1下设置用于使灯光反馈光线均匀的匀光板4-2，透明面板和匀光板通过框架4-3与电极PCB板4-4固定，并通过框架将凸电极结构中心电极与外围电极的垂直距离差Δd控制在0.5CM，在电极PCB板4-4的下方设置控制PCB板4-6，如图9的等效电路图所示，在控制PCB板4-6上有集成了CDC和MCU的CDC专用芯片，用于测量悬停按钮的电容值C1、C2和C3，并通过计算C1/C2的比例和比较C3的大小实现悬停按钮的功能。在控制PCB板4-6上还设置了多色LED指示灯5-4及声光反馈控制电路5-3，用于实现前述三态灯光反馈(即在手指未进入有效悬停触发空间亮绿灯、手指进入有效悬停触发空间后亮紫色灯，悬停按钮被触发后亮红灯)，在PCB版4-4上层设置外围电极1-2、环形主动屏蔽电极1-3和环形接地电极1-4.在PCB版4-4下层设置主动屏蔽电极1-7，该主动屏蔽电极与电极PCB板4-4上的环形主动屏蔽电极通过PCB过孔1-8相连，以同时避免金属机壳地和外部环形接地电极使灵敏度下降的问题。在控制PCB板4-6上还设置有电源电路5-1，CDC电路3，通讯反馈电路5-2，控制PCB板4-6通过内部串行通讯电缆6-1接入集中控制PCB板6上，在集中控制器6上布置有MCU(标号6-3)负责综合分析基本单元4的按键动作从而进一步减小误操作，集中供电模块6-2负责给独立控制单元4的电源电路5-1供电，集中通讯控制模块6-4，负责与电梯中央控制器通讯，同时与各基本控制单元4通讯，从而实现电梯的楼层控制和灯光指示功能。

最后的效果：

相比于美国专利US 7,498,822 B2公开的技术方案，其为了避免中心电极与外部电极之间产生电容效应从而影响中心电极及外部电极对人体或导电物体之间的自电容的测量，要求在电容测量时必须同时在中心电极和外部电极施加相等的电压信号，使这两个电极之间形成等电位，这个设计一方面增加了测量电路的复杂性导致成本上升，另一方面无法利用中心电极与外部电极之间形成的互电容参数对悬停触发有效距离的校正作用；而本发明采用的电容数字转换电路，如基于Δ-∑原理的CDC芯片，可以周期性分时分别测量二个电极的自电容C1、C2和二个电极之间的互电容C3值，三个电容测量互不影响，不需要两个电极之间等电位的限制即可得到C1、C2和C3准确的电容值。还有悬停按钮要解决的技术问题是，要避免由于环境温度、湿度变化对电容测量的影响；本发明采用中心电容与外部电容的比作为主要出发判断依据，而电容比与温度、湿度主要影响的介电常数无关。

本发明悬停按钮可以有效防止人体大面积接近悬停按钮时造成的误触发，例如电梯内人多时臂部或背部靠近或紧贴悬停按钮、清洁时手掌或拳头贴近悬停按钮等。充分利用人体手掌伸出一个手指这种指向动作下，手指大体的长度大小与整个手掌对于本发明创造所设计的二个电极的作用有着显著的区别，所以，考虑到大多数人习惯用食指操作按钮开关，而成年人食指长度约为6-8CM，儿童4-6CM，为了避免其余4指增大食指对外部电极的投影面积，外部电极的直径(圆形)或边长(正方形)应控制在4CM以内。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (13)

1.一种非接触按钮传感器单元，包括：电源电路，电容传感器，电容数字转换电路，控制模块，声光反馈控制电路，通讯电路；

所述电容传感器由一组或者多组电极构成，每组电极包括至少一个中心电极、至少一个围绕中心电极设置的外围电极，中心电极凸出外围电极1.1 -8.8mm的高度；

所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；

上述中心电极、外围电极均连接电容数字转换电路，检测每组中心电极、外围电极感应人体手指接近后的自电容和互电容；

所述电容数字转换电路与所述控制模块连接，所述控制模块依据人体手指指向所述中心电极上部的有效悬停触发区域范围及在此范围内的驻留时间和/或虚拟点击输出该按钮的触发逻辑信号。

2.根据权利要求1所述的非接触按钮传感器单元，其特征在于，上述的控制模块连接声光反馈控制电路，所述声光反馈控制电路呈现无触发、预触发和触发三个状态。

3.根据权利要求1所述的非接触按钮传感器单元，其特征在于，外围电极的背后有主动屏蔽电极。

4.根据权利要求1所述的非接触按钮传感器单元，其特征在于，外围电极的外侧有一环形的主动屏蔽电极。

5.根据权利要求3或者4所述的非接触按钮传感器单元，其特征在于，主动屏蔽电极与所述的中心电极和外围电极通过运算放大器构成电压跟随器相连。

6.根据权利要求4所述的非接触按钮传感器单元，其特征在于，环形主动屏蔽电极外有一环绕的防串扰电极。

7.根据权利要求1所述的非接触按钮传感器单元，其特征在于，所述的中心电极上部的有效悬停触发区域为一个柱体，其剖面形状为中心电极的外周投影，其底部为离开中心电极的距离dmin，其上面到中心电极的距离dmax，上述的dmin为0.5CM，dmax为4CM。

8.根据权利要求1所述的非接触按钮传感器单元，其特征在于，中心电极由多瓣构成。

9.根据权利要求1所述的非接触按钮传感器单元，其特征在于，外围电极为闭环或者开环的圆环构成，或者由半圆环构成。

10.一种非接触按钮的触发方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所限定的传感器单元，通过电容传感器检测和计算人体手指进入某个中心电极上部有效悬停触发区域，通过声光反馈控制电路提供人体手指进入所述有效悬停触发区域的预触发响应；

如果人体手指进入比有效悬停触发区域更接近中心电极的快速触发区域，则直接输出人体手指所指按钮的触发逻辑信号并且同时声光反馈控制电路给予触发状态响应；否则，持续检测人体手指是否停留在所述有效悬停触发区域，如果是并且超过设定的悬停时间，和/或检测到人体手指在有效悬停触发区域内有虚拟点击动作，输出人体手指所指按钮的触发信号并且同时声光反馈控制电路给予触发状态响应；如果在设定的悬停时间内检测到手指离开了所述有效悬停触发区域，则返回无触发状态。

11.根据权利要求10所述的非接触按钮的触发方法，其特征在于，所述悬停时间在0.3至5秒之间，最佳悬停时间为0.5-1秒。

12.根据权利要求10所述的非接触按钮的触发方法，其特征在于，所述的中心电极上部的有效悬停触发区域为一个柱体，其剖面形状为中心电极的外周投影，其底部为离开中心电极的距离dmin，其上面到中心电极的距离dmax，上述的dmin为0.5CM，dmax为4CM。

13.根据权利要求10所述的非接触按钮的触发方法，其特征在于，上述的控制模块连接声光反馈控制电路，所述声光反馈控制电路呈现无触发、预触发和触发三个状态。

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