基于電容感應(yīng)觸摸式傳感器的設(shè)計(jì)

1、班級(jí)：電氣2班 學(xué)號(hào)：0608130221 姓名：孟祥通 成績(jī)：基于電容感應(yīng)觸摸式傳感器的設(shè)計(jì)摘要：電容感應(yīng)防疲勞安全駕駛系統(tǒng)采用先進(jìn)的電容感應(yīng)觸摸式傳感器，通過(guò)微處理器判斷駕駛員的注意力集中程度，通過(guò)音樂(lè)系統(tǒng)播放不同類型的音樂(lè)刺激司機(jī)，緩解駕駛員的壓力，使其集中注意力。關(guān)鍵詞：電容感應(yīng)觸摸式傳感器 The design of capacitance sensor touch sensorsAbstract: capacitive sensing anti fatigue safe driving system adopts advanced capacitive sensing touch

2、sensor, through the microprocessor to determine the driver's attention degree, played by music system of different types of music stimulate driver, alleviate the pressure of the driver, make its focus.Keywords: capacitive sensing touch sensors1引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，商用長(zhǎng)途貨物運(yùn)輸車越來(lái)越多，隨著人們生活水平提高，私家轎車數(shù)量與日俱增。注意力不

3、集中是許多司機(jī)經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題，注意力分散的司機(jī)對(duì)駕駛環(huán)境的識(shí)別緩慢，產(chǎn)生相應(yīng)駕駛操作需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這樣帶來(lái)較高的行車危險(xiǎn)性。防疲勞安全駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于電容感應(yīng)觸摸式傳感器設(shè)計(jì)，旨在使注意力分散駕駛的司機(jī)能隨時(shí)通過(guò)系統(tǒng)發(fā)覺(jué)自己的駕駛狀態(tài)，通過(guò)此系統(tǒng)刺激駕駛員集中注意力，降低道路傷害對(duì)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成的損害。自主創(chuàng)新是當(dāng)今社會(huì)的另一大主題。防疲勞安全駕駛系統(tǒng)采用先進(jìn)的電容感應(yīng)觸摸式傳感器，通過(guò)微處理器判斷駕駛員的注意力集中程度，通過(guò)音樂(lè)系統(tǒng)播放不同類型的音樂(lè)或語(yǔ)音來(lái)刺激警示司機(jī)，緩解駕駛員的壓力，使其集中注意力。2設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述2.1設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能：1）自動(dòng)檢測(cè)功能；2）實(shí)時(shí)判斷駕駛員注意力集中

4、情況；3) 與汽車中央CPU通信功能。2.2設(shè)計(jì)系統(tǒng)特點(diǎn)：1) 可非接觸式測(cè)量，可在高溫、輻射和強(qiáng)烈震動(dòng)等劇烈工作環(huán)境下工作；2) 自動(dòng)檢測(cè)、智能化判斷司機(jī)注意力情況；3) 成本低、使用方便；采用新型觸摸開(kāi)關(guān)，美觀、磨損小、壽命長(zhǎng)；4) 操作模式具有可選擇性；可與汽車中央CPU實(shí)時(shí)通信。3傳感器設(shè)計(jì)與選擇在這個(gè)系統(tǒng)中，電容式傳感器起到舉足輕重的作用，我們先來(lái)討論有關(guān)傳感器的信息。面向汽車應(yīng)用的開(kāi)關(guān)和按鈕所遭受的設(shè)計(jì)約束必須應(yīng)對(duì)的不利條件是：1、寬溫度范圍2、寬濕度范圍3、駕乘人員連續(xù)不斷的污損。汽車內(nèi)傳感器的工作環(huán)境十分惡劣，因此對(duì)傳感器的要求也十分嚴(yán)格。這些傳感器必須要經(jīng)受住從一40+150

5、的溫度變化，而且要求精度高、可靠性好、反應(yīng)快、抗干擾和抗振動(dòng)能力強(qiáng)，才能準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車運(yùn)行的有關(guān)狀態(tài)，并將這些狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)供給單片機(jī)處理。電容感應(yīng)防疲勞安全駕駛系統(tǒng)組成示意圖電容感應(yīng)防疲勞安全駕駛系統(tǒng)組成示意圖如上圖所示，圖中方向盤(pán)左右分別裝有電容感應(yīng)式傳感器，專用于識(shí)別人手的觸摸動(dòng)作，在汽車行駛過(guò)程中，駕駛者必須在一定的時(shí)間間隔內(nèi)觸摸傳感器位置把柄，如若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)駕駛者沒(méi)有觸摸電容感應(yīng)傳感器，則系統(tǒng)警示燈閃爍，同時(shí)音樂(lè)系統(tǒng)慢慢響起隨和的音樂(lè)，若在音樂(lè)想起一段時(shí)間后，駕駛者仍然未觸摸傳感器，系統(tǒng)再次判斷駕駛者最近幾次從看到警示燈或聽(tīng)到音樂(lè)后到觸摸開(kāi)關(guān)動(dòng)作完成的時(shí)間間隔信息，粗略判斷

6、駕駛者的反應(yīng)靈敏度，然后更據(jù)不同情況播放不同類型音樂(lè)或語(yǔ)音。若認(rèn)為最近司機(jī)反映敏捷則音響系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)播送節(jié)奏明快的進(jìn)行曲，讓人精神更加振奮；當(dāng)司機(jī)注意力嚴(yán)重不集中時(shí)，音響系統(tǒng)自動(dòng)播激情音樂(lè)，從而引起司機(jī)的注意力。倘若駕駛者一直不觸摸電容感應(yīng)傳感器，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給汽車中央CPU系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，并作出相應(yīng)處理，比如中央CPU會(huì)再次判斷車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行減速等操作。3.1電容式傳感器工作原理電容式傳感器中的電容值以及電容變化值都非常小，這樣微小的電容量還不能直接為目前的現(xiàn)實(shí)儀表所顯示，也和難為記錄儀所接受。這就必須借助于測(cè)量電路檢測(cè)這一微小電容增量。并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電

7、容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。經(jīng)過(guò)大量資料證明，調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏性度，可以測(cè)量高至0.01 m級(jí)位移變化量。信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送接收，以達(dá)遙控遙測(cè)的目的。這正好符合了智能化與自動(dòng)檢測(cè)的要求，因此選擇調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路裝入此測(cè)量系統(tǒng)。調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的震蕩頻率就發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示記錄儀記錄下來(lái)。調(diào)頻式測(cè)量電路如下圖所示。3.2觸摸式傳感器對(duì)于典型的電容式傳感器，規(guī)定其覆蓋層的厚度為3

8、mm或更薄。隨著覆蓋層厚度的增加，來(lái)傳感手指的觸摸將變得越來(lái)越困難。所有電容式觸摸傳感系統(tǒng)的核心部分都是一組與電場(chǎng)相互作用的導(dǎo)體。在皮膚下面，人體組織中充滿了傳導(dǎo)電解質(zhì)。正是手指的這種導(dǎo)電特性，使得電容式觸摸傳感成為可能。簡(jiǎn)單的平行板電容器具有兩個(gè)導(dǎo)體，其間隔著一層電介質(zhì)。該系統(tǒng)中的大部分能量直接聚集在電容器極板之間。少許能量會(huì)泄露到電容器極板以外的空間。該電容式傳感系統(tǒng)的基本元件包括：一個(gè)可編程電流源、一個(gè)精密模擬比較器和一根用來(lái)按順序傳輸一組電容式傳感器信號(hào)的多路復(fù)用總線。在本文所討論的系統(tǒng)中，一個(gè)弛張振蕩器起著電容傳感器的作用。該振蕩器的簡(jiǎn)化電路示意圖如下圖所示。振蕩器簡(jiǎn)化電路示意圖比較

9、器的輸出被送進(jìn)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的時(shí)鐘輸入電路，該P(yáng)WM負(fù)責(zé)對(duì)一個(gè)時(shí)鐘頻率為24MHz的16位計(jì)數(shù)器進(jìn)行門(mén)控。傳感器上面的手指使電容增大，從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)值增加。就是基于這一原理來(lái)檢測(cè)到手指的存在。33光電式車速傳感器光電式車速傳感器是固態(tài)的光電半導(dǎo)體傳感器，它由帶孔的轉(zhuǎn)盤(pán)兩個(gè)光導(dǎo)體纖維，一個(gè)發(fā)光二極管，一個(gè)作為光傳感器的光電三極管組成。一個(gè)以光電三極管為基礎(chǔ)的放大器為發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦或點(diǎn)火模塊提供足夠功率的信號(hào)，光電三極管和放大器產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)(開(kāi)關(guān)脈沖)。發(fā)光二極管透過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)上的孔照到光電二極管上實(shí)現(xiàn)光的傳遞與接收。轉(zhuǎn)盤(pán)上間斷的孔可以開(kāi)閉照射到光電三極管上的光源，進(jìn)而觸發(fā)光電三極管和放大器

10、，使之像開(kāi)關(guān)一樣地打開(kāi)或關(guān)閉輸出信號(hào)。 4整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)電容感應(yīng)防疲勞安全駕駛系統(tǒng)由電容感應(yīng)傳感器，微處理器和音樂(lè)系統(tǒng)等部分組成。其獨(dú)特之處是：在方向盤(pán)左右兩邊個(gè)安裝有一個(gè)電容式觸摸傳感器，用于接收或識(shí)別人的觸摸動(dòng)作，微處理器實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器信號(hào)，記錄每次接收到信號(hào)的時(shí)間，實(shí)時(shí)判斷上次信號(hào)已發(fā)生的時(shí)間間隔和分析次信號(hào)發(fā)生的時(shí)間信息，智能判斷駕駛者的精神狀態(tài)和注意力集中情況，然后根據(jù)判斷結(jié)果命令音響系統(tǒng)播放不同類型的音樂(lè)。該系統(tǒng)工作時(shí)有兩種工作模式可以供司機(jī)選擇，第一種是定時(shí)提示，即每過(guò)一定的時(shí)間進(jìn)行提示，時(shí)間間隔為正常人的注意力集中時(shí)間；第二種工作模式是智能化提示模式，在該模式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判

11、定司機(jī)的注意力集中情況和車速大小智能選取提示時(shí)間間隔。設(shè)計(jì)圖如下：4.1信號(hào)檢測(cè)汽車傳感器輸出信號(hào)一般為電壓、電阻、脈沖信號(hào)及開(kāi)關(guān)量等，下面分別介紹這些信號(hào)的檢測(cè)方法。（1）電壓信號(hào) 為了提高抗干擾能力和檢測(cè)精度，先將電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路變換為05V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)V/F變換轉(zhuǎn)換為脈沖量，經(jīng)光耦隔離后通過(guò)C8051F005單片機(jī)的PCA陣列計(jì)數(shù)處理。VF轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路如圖2所示，其中，將有源時(shí)鐘振蕩器輸出的3MHz脈沖信號(hào)經(jīng)74HC393四分頻后作為AD652的外部時(shí)鐘源。（2）電阻信號(hào)電阻信號(hào)先經(jīng)惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為05V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)VF變換轉(zhuǎn)換為脈沖量，經(jīng)光耦隔離，最后通過(guò)C8051F

12、005單片機(jī)的PCA陣列計(jì)數(shù)處理。（3）脈沖信號(hào) 經(jīng)光耦隔離后的脈沖信號(hào)直接通過(guò)C8051F005單片機(jī)的PCA陣列計(jì)數(shù)處理。（4）開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)關(guān)量采集原理圖如圖3所示。當(dāng)剎車和轉(zhuǎn)向燈等工作狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，其輔助接點(diǎn)將接通YX回路的+12V電源，此時(shí)光耦導(dǎo)通，其輸出狀態(tài)發(fā)生改變，在單片機(jī)定時(shí)中斷服務(wù)程序內(nèi)通過(guò)IO口讀取該狀態(tài)即可，其動(dòng)作分辨率可達(dá)lms。5總結(jié)電容感應(yīng)防疲勞安全駕駛系統(tǒng)解決了消費(fèi)者在使用汽車中所遇到的困難，這套系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候能夠達(dá)到性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、價(jià)格適中，會(huì)很受消費(fèi)者歡迎，具有一定的商業(yè)價(jià)值，這樣系統(tǒng)的市場(chǎng)潛力很大。但是我只是在學(xué)習(xí)了傳感器這門(mén)課后進(jìn)行了淺顯的設(shè)想，將所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了一定的整合，并與實(shí)際生活聯(lián)系起來(lái)，讓理論與實(shí)際相結(jié)合。真正是否能夠設(shè)計(jì)并投入使用還需要一定的時(shí)間和更專業(yè)和精確的計(jì)算。參考文獻(xiàn)1 張洪潤(rùn).傳感器應(yīng)