CN116743146A - 一种基于电容式接近传感器的电路、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于电容式接近传感器的电路、装置及设备，该电路包括：微控制器、驱动单元、检测单元、放大单元、信号处理单元，微控制器与驱动单元电性连接；驱动单元与检测单元、放大单元、信号处理单元电性连接；放大单元与信号处理单元电性连接；信号处理单元与所述微控制器电性连接；微控制器、驱动单元、检测单元、信号处理单元还与DGND端电性连接，检测单元、放大单元、信号处理单元还与AGND端端电性连接；DGND端与AGND端电性跨接。该电路可以实现同频控制，可消除环境EMC干扰串入AGND端对整个电路的影响，抗干扰能力强。

Description

一种基于电容式接近传感器的电路、装置及设备

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种基于电容式接近传感器的电路。

背景技术

电容式接近传感器是一种非接触式传感器，其工作原理是利用被测物体与电容(包括检测极板，或称检测探头)的距离会影响电容的静电场变化的特点，通过电容静电场的变化量来确定被测物体的距离，可以检测任何介电常数大于2的物质。由于不需要机械接触，电容式接近传感器可以连续检测。电容式接近传感器广泛应用于工业自动化控制和电子设备中，用以精确检测物体的位置，甚至精确检测物体的外观尺寸、特征。

随着物联网等技术的发展，在新能源等新兴高科技行业，对电容式接近传感器的主要应用需求是要耐高温、开关频率高、抗干扰。但现有的包括电容式接近传感器的电路中，驱动电容的检测极板的方波脉冲信号通常是由硬件电路起振的(比如谐振器、发射管、半导体激光器、发射晶体管等)，电感电容参与振荡工作，其振荡频率由电感电容等分立元件确定，在实际使用环境中经常会受到同频的空间电磁辐射干扰、以及由导线引入的传导干扰，容易造成电容式接近传感器信号误触发。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于电容式接近传感器的电路、装置及设备，用以至少部分解决使用环境带来的EMC(Electromagnetic Compatibility，电磁兼容性)干扰的技术问题。

为了实现上述目的，本申请的一个实施例提供了一种基于电容式接近传感器的电路，其中，所述电路包括：

微控制器、驱动单元、检测单元、放大单元、信号处理单元，其中，

所述微控制器与所述驱动单元电性连接，与DGND端电性连接；

所述驱动单元与所述检测单元电性连接，与DGND端电性连接，其中，所述驱动单元的输出端还与所述放大单元、所述信号处理单元电性连接，还通过耦合电容与AGND端电性连接，通过第一滤波电容与DGND端电性连接；

所述检测单元与所述放大单元电性连接，其中，所述检测单元包括模拟开关、电容式接近传感器和检波子电路，其中，所述驱动单元的输出端分别与所述模拟开关的正电源端和所述电容式接近传感器的正检测极板电性连接，所述电容式接近传感器的负检测极板通过分压电阻与AGND端电性连接，通过单向二极管与所述模拟开关的输入端电性连接，其中，所述模拟开关的负电源端与AGND端电性连接，所述模拟开关的控制端分别通过第二滤波电容与DGND端电性连接，通过限流电阻与AGND端电性连接，其中，所述模拟开关的输出端与所述检波子电路电性连接，所述检波子电路还与AGND端电性连接；

所述放大单元与所述信号处理单元电性连接，与AGND端电性连接；

所述信号处理单元与所述微控制器电性连接，分别与AGND端、DGND端电性连接；

其中，所述DGND端与所述AGND端之间通过旁路电容和单向二极管并联方式电性跨接。

可选地，其中，所述驱动单元包括三极管推挽电路。

可选地，其中，所述模拟开关包括五端单刀单掷模拟开关。

可选地，其中，所述模拟开关的型号包括TC4S66F。

可选地，其中，所述放大单元包括同相比例放大器。

可选地，其中，所述信号处理单元包括反相迟滞比较器。

进一步地，本申请提供了一种基于电容式接近传感器的装置，其中，所述装置包括上述实施例和/或可选实施例的所述电路。

进一步地，本申请提供了一种基于电容式接近传感器的设备，其中，所述设备包括上述实施例的所述装置。

本申请提供的一种基于电容式接近传感器的电路的工作原理如下：

微处理器生成的方波脉冲信号输入驱动单元，通过驱动单元对方波脉冲信号进行处理，得到幅度和频率稳定的驱动电压信号，同时为检测单元、放大单元及信号处理单元提供供电电压信号和参考电压信号，在检测单元，驱动电压信号被耦合到电容检测极板，其中，电容的正负两个检测极板组成内电容，其电容值通常是固定值，电容的正检测极板(也称检测探头)与被检测物体组成外电容，当被检测物体与正检测极板之间的距离发生变化时，外电容的静电场相应发生变化，从而外电容的电容值相应发生变化，耦合的电压信号也相应发生变化，耦合的电压信号通过受控的模拟开关及检波处理后输出，再经过放大单元进行放大，在信号处理单元进行信号处理，并将处理结果反馈到微处理器，微处理器收到后再做进一步的处理。

与现有技术相比，本申请的有益效果主要体现在：

本申请提供的一种基于电容式接近传感器的电路、装置及设备，将DGND端与AGND端进行跨接，使得AGND端产生与方波脉冲信号同频的脉冲信号，使得与AGND端电性连接的检测单元、放大单元、信号处理单元处理的信号受AGND端同频控制，可以消除环境EMC干扰串入AGND端对整个电路的影响，抗干扰能力强。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出本申请的一个实施例的一种用于电容式接近传感器的电路原理框图；

图2示出本申请的一个可选实施例的驱动单元的电路原理图；

图3示出本申请的一个可选实施例的检测单元的电路原理图；

图4示出本申请的一个可选实施例的放大单元的电路原理图；

图5示出本申请的一个可选实施例的信号处理单元的电路原理图；

图6示出本申请的一个可选实施例的以DGND端为参考的AGND端电压信号波形示意图；

图7示出本申请的一个可选实施例的以DGND端为参考的驱动单元输出电压信号波形示意图；

图8示出本申请的一个可选实施例的以AGND端为参考的驱动单元输出电压信号波形示意图；

图9示出本申请的一个可选实施例的以AGND端为参考的模拟开关的控制端电压信号波形示意图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

本申请提供了一种基于电容式接近传感器的电路、装置及设备。

以下将结合附图对本申请所提供的一种基于电容式接近传感器的电路、装置及设备的技术构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本申请的目的、特征和效果。其中表示了本申请的实施例和可选实施例，应该理解，本领域技术人员可以在不脱离本申请的技术构思及产生的技术效果的前提下对具体结构进行修改，而仍然实现本申请的有利效果。因此，下列描述应当被理解为是对本申请的示例解释，而并不能被理解为是对本申请的限制。

如图1示出本申请的一个实施例的一种用于电容式接近传感器的电路原理框图，其中，该电路10包括：

微控制器100、驱动单元200、检测单元300、放大单元400、信号处理单元500，其中，

微控制器100与驱动单元200电性连接，与DGND端电性连接；

驱动单元200与检测单元300电性连接，与DGND端电性连接，其中，驱动单元200的输出端还与放大单元400、信号处理单元500电性连接，还通过耦合电容C3与AGND端电性连接，通过第5滤波电容C1与DGND端电性连接；

检测单元300与放大单元400电性连接，如图3所示的一个示例性的检测单元300的电路原理，检测单元300包括模拟开关310、电容式接近传感器320和检波子电路330，其中，驱动单元200的输出端分别与模拟开关310的正电源端5和电容式接近传感器320的正检测极板C+电性连接，电容式接近传感器320的负检测极板C-通过限流电阻R3与AGND端电性连接，通过单向二极管D2与模拟开关310的输入端1电性连接，其中，模拟开关310的负电源端3与AGND端电性连接，模拟开关310的控制端4分别通过第二滤波电容C5与DGND端电性连接，通过限流电阻R3与AGND端电性连接，其中，模拟开关310的输出端2与检波子电路330电性连接，所述检波子电路330还与AGND端电性连接；

放大单元400与信号处理单元500电性连接，与AGND端电性连接；

信号处理单元500与微控制器100电性连接，分别与AGND端、DGND端电性连接；

其中，DGND端与AGND端之间通过旁路电容C2和单向二极管D1并联方式电性跨接。

在该实施例中，微处理器100由VDD供电，可参考内部时钟频率，生成方波脉冲信号。一个示例性的，可以使用微处理器100的内部定时器，先设置定时器的计数器初值和重装载值，以确定定时器的计数范围和计时周期，再设置定时器的工作模式，然后开启定时器中断和计数器，每当定时器中断触发时，产生一次方波脉冲信号，从而可输出一定频率和占空比的方波脉冲信号。另一个示例性的，可以使用微处理器100的GPIO(General-purposeinput/output，通用输入输出)口，先将GPIO口设置为输出模式，再通过设置输出高低电平的方式产生方波脉冲信号，比如，先将GPIO口电平置高，经过一定时间后再将GPIO口电平置低，即可生成方波脉冲信号。

其中，微处理器100生成的方波脉冲信号驱动能力不够，需要通过驱动单元200来增强驱动能力。驱动单元200对微处理器100输出的方波脉冲信号进行增强后输出电压信号VCC，为后续相关单元提供工作电压信号和/或参考电压信号。

可选地，其中，驱动单元200可以包括三极管推挽电路。一个示例性的驱动单元200的电路原理如图2所示，其中，Q1是P型三极管，Q2是N型三极管，R4为限流电阻，R5为上拉电阻、R6为下拉电阻。

其中，驱动单元200输出的电压信号VCC，会通过检测单元300中的耦合电容C3耦合至驱动单元200中的电容式接近传感器320的电容检测极板，耦合后的电压信号通过单向二极管D2检波后，输入模拟开关310的输入端1，耦合后的电压信号还通过分压电阻R1接入AGND端。当被检测物体接近电容检测极板时，电容式接近传感器的电容的静电场发生变化，对应地电容值也发生变化，进而对应地耦合后的电压信号也会发生变化，因此，耦合后的电压信号可用于计算被检测物体与电容式接近传感器之间的距离。

可选地，其中，检测单元300包括的模拟开关310包括五端单刀单掷模拟开关。

图3中，驱动单元200中的模拟开关的控制端4通过滤波电容C5与DGND电性连接，通过限流电阻R3与AGND电性连接，可由AGND信号控制模拟开关310的打开或关断：关断状态下模拟开关不导通，耦合后的电压信号不能传输到检波子电路330；打开状态下信号模拟开关导通。耦合后的电压信号从模拟开关的输入端1，经过模拟开关320的输出端2，传输到检波子电路330，经由电阻R2、电容C4进行RC滤波后输出电压信号Vout至放大单元400。由于AGND信号与VCC同频，而耦合后的电压信号也与VCC同频，使得模拟开关可以实现与耦合后的电压信号的同频，实现同频控制，并避免将AGND端串入的EMC干扰信号引入DGND端。为了保证模拟开关310的正常工作，其正电源端5接入VCC，其负电源端3接入AGND信号。

可选地，其中，模拟开关310的型号包括东芝半导体的TC4S66F。

可选地，其中，放大单元400包括同相比例放大器。一个示例性的放大单元400的电路原理如图4所示。检测单元300输出的电压信号Vout经过耦合电容C6后输入同相比例放大器410的正相端3，同相比例放大器410的输出端1输出的电压信号经反馈电阻R7、R9分压后作为负反馈输入同相比例放大器410的反相端4，同相比例放大器410的输出端1的输出电压信号经过耦合电容C7后得到输出电压信号Vout1。为了保证同相比例放大器410的正常工作，其正电源端5接入VCC，其负电源端2接入AGND信号。

可选地，其中，信号处理单元500包括反相迟滞比较器。一个示例性的信号处理单元500的电路原理如图5所示。放大单元400输出的电压信号Vout1经过限流电阻R13后输入反相迟滞比较器510的反相端4，对电压信号VCC经分压电阻R1、R12分压后得到参考电压Vref，将参考电压Vref经限流电阻R10后输入反相迟滞比较器510的正相端3，反相迟滞比较器510的输出端1输出的比较结果经输出电阻R15适配后传输至微处理器100，微处理器100可对比较结果进行数据整合处理后输出相关指令，比如触发声光电报警等，其中反相迟滞比较器510的输出端1输出的比较结果还经反馈电阻R14输出到反相迟滞比较器510的正相端3，图5中，C8为储能电容，C9为滤波电容。

其中，信号处理单元500接收到Vout1，在没有物体靠近检测探头(电容式接近传感器)时，反相迟滞比较器510的正相端3输入电压信号小于反相端4输入电压信号，反相迟滞比较器510的输出端1输出结果为高电平；当有物体靠近检测探头(电容式接近传感器)时，电容式传感器320的电容的静电场发生相应变化，耦合后的电压信号发生相应变化，对应到Vout1也发生相应变化，当与Vout1相关的反相迟滞比较器510的正相端3输入电压信号大于反相端4输入电压信号，反相迟滞比较器510的输出端1输出结果变为低电平。因此，反相迟滞比较器510的输出端1输出的比较结果可反映出电容式接近传感器检测到的与被检测物体之间的距离。

如果上述实施例和/或可选实施例中单向二极管采用的是硅基，其导通门限电压为0.7V，以DGND端为参考的AGND端电压信号波形示意图如图6所示，以DGND端为参考的驱动单元输出电压信号波形示意图如图7所示，以AGND端为参考的驱动单元输出电压信号波形示意图如图8所示，以AGND端为参考的模拟开关的控制端电压信号波形示意图如图9所示。

在上述实施例和/或可选实施例中，微处理器100与DGND端电性连接，但与AGND端隔离，使得微处理器100在处理数据时不受AGND端的影响。而驱动单元200、检测单元、放大单元、信号处理单元都与AGND端电性连接，保证了VCC与后续相关单元工作时的电压信号的同步性，当外部有EMC干扰时，EMC干扰信号所形成的交变电流会作用到AGND端，由于EMC干扰信号会在各相关单元被同时增大或减小，因此，可以有效的抵消掉EMC干扰信号。因此，本申请提供的一种基于电容式接近传感器的电路的同步性好，抗干扰能力强。

一个可选实施例提供了一种基于电容式接近传感器的装置，其中，该装置包括上述实施例和/或可选实施例中的电路。

另一个可选实施例提供了一种基于电容式接近传感器的设备，其中，该设备包括上述可选实施例中的装置。

需要说明的是，上述实施例和/或可选实施例仅用以说明本申请的技术方案，并不对本申请起到任何限制作用。本领域技术人员应当理解，在不脱离本申请的技术方案的范围内，对本申请揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本申请的技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的保护范围之内。

此外，显然“包括”一词不排除其他组成部件、单元或电路，单数不排除复数。权利要求中陈述的多个组成部件、单元或电路也可以以一个组成部件、单元或电路来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (8)

1.一种基于电容式接近传感器的电路，其特征在于，所述电路包括：

微控制器、驱动单元、检测单元、放大单元、信号处理单元，其中，

所述微控制器与所述驱动单元电性连接，与DGND端电性连接；

所述驱动单元与所述检测单元电性连接，与DGND端电性连接，其中，所述驱动单元的输出端还与所述放大单元、所述信号处理单元电性连接，还通过耦合电容与AGND端电性连接，通过第一滤波电容与DGND端电性连接；

所述检测单元与所述放大单元电性连接，其中，所述检测单元包括模拟开关、电容式接近传感器和检波子电路，其中，所述驱动单元的输出端分别与所述模拟开关的正电源端和所述电容式接近传感器的正检测极板电性连接，所述电容式接近传感器的负检测极板通过分压电阻与AGND端电性连接，通过单向二极管与所述模拟开关的输入端电性连接，其中，所述模拟开关的负电源端与AGND端电性连接，所述模拟开关的控制端分别通过第二滤波电容与DGND端电性连接，通过限流电阻与AGND端电性连接，其中，所述模拟开关的输出端与所述检波子电路电性连接，所述检波子电路与AGND端电性连接；

所述放大单元与所述信号处理单元电性连接，与AGND端电性连接；

所述信号处理单元与所述微控制器电性连接，分别与AGND端、DGND端电性连接；

其中，所述DGND端与所述AGND端之间通过旁路电容和单向二极管并联方式电性跨接。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述驱动单元包括三极管推挽电路。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述模拟开关包括五端单刀单掷模拟开关。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述模拟开关的型号包括TC4S66F。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述放大单元包括同相比例放大器。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述信号处理单元包括反相迟滞比较器。

7.一种基于电容式接近传感器的装置，其特征在于，所述装置包括如权利要求1至6任一项的所述电路。

8.一种基于电容式接近传感器的设备，其特征在于，所述设备包括如权利要求7的所述装置。