一种电容式传感器数字化通用检测接口设计

4 检测接口实际电路设计

由于电容式传感器种类多，容值变化范围广，需要根据不同的测量范围选择合适的器件具体实现上述测量原理。电容式接近传感器是一种广泛应用的容性传感器，它共有3个极板。人体的某一待测部分(如手指)为活动极板，另外，2块为固定极板。1块以某一恒定正弦电压激励;另一块接地。当人体接近时，电容量变大，当超过某一阈值时，即可认为有人体接近。整个传感器的核心就在于微变电容量的检测，基于上述原理，设计了实际电路。

AD5933是一款集成式单片检测芯片，集成了频率发生、幅值调整、模数转换、离散变换等功能，其频率输出最高为100kHz.该芯片可以完成上述测量原理的主要功能，配合STM32F103CBT6微控制器就可以实现具体电路。

AD5933内部寄存器0×82~0×84为起始频率控制字，0×85~0×87为增量频率控制字，根据该型传感器需要，分别设置上述2个控制字为0x170A3D和0×000000,即输出45kHz固定激励频率。内部寄存器0×94~0×95和0×96~0×97分别存储了经过DFT运算后的检测电压实部和虚部值，读取这4个寄存器就可以获得待测数值。

此外，AD5933还提供了14位精度的片内温度传感器，可用于误差补偿，温度值存储在0×92~0×93寄存器中。系统的软件流程图如图所示。

由于电容量极易受到外界干扰的影响，因此必须做好PCB的布局和布线工作。对于AD5933,需要设计相应的模拟和数字地回路，其数字部分可与微控制器地回路直接连接。激励和检测部分应尽可能靠近传感器的两端，并远离印制电路板上的晶振等高频数字信号的干扰。

5 实验结果验证

利用上述系统对自制的电容式接近传感器进行了测试。该传感器的2个固定极板为PCB上2块相对的覆铜，其面积为3cm×1cm,厚度约为100μm,间距为2μm,PCB材质为FR4,初始电容约为0.13pF.以人手指相距板面1cm视为处于接近状态，使用Ansys仿真可得此时电容为0.135pF,考虑环境湿度等因素影响，设置检测阈值为0.139pF.当人体接近时，点亮电路板上的LED进行示意。连续对系统做了100次测试，第一类错误(未接近但报告)为3次，第二类错误(接近但为报告)2次，总体正确率在95%以上。发生两类错误的主要原因在于活动极板(手指)的位置变化不规律，容易引入粗大误差所致。实际测试表明，该电路对设计值在0.1pF以上量级的电容式传感器具有较好的检测效果。

6 结 论

设计了一种电容式传感器数字化通用检测接口，在完成原理分析后进行了实际电路测试。测试结果表明，该方案具有较好的电容检测灵敏度，且系统结构简单，具有良好的可靠性和可移植性。对于设计值在0.1pF以上量级的电容式传感器的测试和应用具有一定的指导意义。