【系统】基于电容感应触摸式传感器设计

【关键字】系统
基于电容感应触摸式传感器的设计
摘要：电容感应防疲劳安全驾驶系统采用先进的电容感应触摸式传感器，通过微处理器判断驾驶员的注意力集中程度，通过音乐系统播放不同类型的音乐刺激司机，缓解驾驶员的压力，使其集中注意力。

关键词：电容感应触摸式传感器
The design of capacitance sensor touch sensors
Abstract: capacitive sensing anti fatigue safe driving system adopts advanced capacitive sensing touch 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 sensors
1引言
随着社会经济的发展，商用长途货物运输车越来越多，随着人们生活水平提高，私家轿车数量与日俱增。

注意力不集中是许多司机经常遇到的一个问题，注意力分散的司机对驾驶环境的识别缓慢，产生相应驾驶操作需要较长的时间，这样带来较高的行车危险性。

防疲劳安全驾驶系统设计基于电容感应触摸式传感器设计，旨在使注意力分散驾驶的司机能随时通过系统发觉自己的驾驶状态，通过此系统刺激驾驶员集中注意力，降低道路伤害对国家社会经济造成的损害。

自主创新是当今社会的另一大主题。

防疲劳安全驾驶系统采用先进的电容感应触摸式传感器，通过微处理器判断驾驶员的注意力集中程度，通过音乐系统播放不同类型的音乐或语音来刺激警示司机，缓解驾驶员的压力，使其集中注意力。

2设计系统概述
2.1设计系统功能：
1）自动检测功能；
2）实时判断驾驶员注意力集中情况；
3) 与汽车中央CPU通信功能。

2.2设计系统特点：
1) 可非接触式测量，可在高温、辐射和强烈震动等剧烈工作环境下工作；
2) 自动检测、智能化判断司机注意力情况；
3) 成本低、使用方便；采用新型触摸开关，美观、磨损小、寿命长；
4) 操作模式具有可选择性；可与汽车中央CPU实时通信。

3传感器设计与选择
在这个系统中，电容式传感器起到举足轻重的作用，我们先来讨论有关传感器的信息。

面向汽车应用的开关和按钮所遭受的设计约束必须应对的不利条件是：1、宽温度范围2、宽湿度范围3、驾乘人员连续不断的污损。

汽车内传感器的工作环境十分恶劣，因此对传感器的要求也十分严格。

这些传感器必须要经受住从一40℃~+150℃的温度变化，而且要求精度高、可靠性好、反应快、抗干扰和抗振动能力强，才能准确地实时检测汽车运行的有关状态，并将这些状态转换成电信号供给单片机处理。

电容感应防疲劳安全驾驶系统组成示意图
电容感应防疲劳安全驾驶系统组成示意图如上图所示，图中方向盘左右分别装有电容感应式传感器，专用于识别人手的触摸动作，在汽车行驶过程中，驾驶者必须在一定的时间间
隔内触摸传感器位置把柄，如若在规定的时间内驾驶者没有触摸电容感应传感器，则系统警示灯闪烁，同时音乐系统慢慢响起随和的音乐，若在音乐想起一段时间后，驾驶者仍然未触摸传感器，系统再次判断驾驶者最近几次从看到警示灯或听到音乐后到触摸开关动作完成的时间间隔信息，粗略判断驾驶者的反应灵敏度，然后更据不同情况播放不同类型音乐或语音。

若认为最近司机反映敏捷则音响系统会自动播送节奏明快的进行曲，让人精神更加振奋；当司机注意力严重不集中时，音响系统自动播激情音乐，从而引起司机的注意力。

倘若驾驶者一直不触摸电容感应传感器，则系统会自动给汽车中央CPU系统发送信号，并作出相应处理，比如中央CPU会再次判断车体运动状态，进行减速等操作。

3.1电容式传感器工作原理
电容式传感器中的电容值以及电容变化值都非常小，这样微小的电容量还不能直接为目前的现实仪表所显示，也和难为记录仪所接受。

这就必须借助于测量电路检测这一微小电容增量。

并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。

电容转换电路有调频电路、运算缩小器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。

经过大量资料证明，调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏性度，可以测量高至0.01 m级位移变化量。

信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送接收，以达遥控遥测的目的。

这正好符合了智能化与自动检测的要求，因此选择调频电容传感器测量电路装入此测量系统。

调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容发生变化时，振荡器的震荡频率就发生变化，经过缩小就可以用仪器指示记录仪记录下来。

调频式测量电路如下图所示。

3.2触摸式传感器
对于典型的电容式传感器，规定其覆盖层的厚度为3mm或更薄。

随着覆盖层厚度的增加，来传感手指的触摸将变得越来越困难。

所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作用的导体。

在皮肤下面，人体组织中充满了传导电解质。

正是手指的这种导电特性，使得电容式触摸传感成为可能。

简单的平行板电容器具有两个导体，其间隔着一层电介质。

该系统中的大部分能量直接聚集在电容器极板之间。

少许能量会泄露到电容器极板以外的空间。

该电容式传感系统的基本元件包括：一个可编程电流源、一个精密模拟比较器和一根用来按顺序传输一组电容式传感器信号的多路复用总线。

在本文所讨论的系统中，一个弛张振荡器起着电容传感器的作用。

该振荡器的简化电路示意图如下图所示。

振荡器简化电路示意图
比较器的输出被送进脉冲宽度调制器(PWM)的时钟输入电路，该PWM负责对一个时钟频率为24MHz的16位计数器进行门控。

传感器上面的手指使电容增大，从而导致计数值增加。

就是基于这一原理来检测到手指的存在。

3．3光电式车速传感器
光电式车速传感器是固态的光电半导体传感器，它由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。

一个以光电三极管为基础的缩小器为发动机控制电脑或点火模块提供足够功率的信号，光电三极管和缩小器产生数字输出信号(开关脉冲)。

发光二极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。

转盘上间断的孔可以开闭照射到光电三极管上的光源，进而触发光电三极管和缩小器，使之像开关一样地打开或关闭输出信号。

4整体系统设计
电容感应防疲劳安全驾驶系统由电容感应传感器，微处理器和音乐系统等部分组成。

其独特之处是：在方向盘左右两边个安装有一个电容式触摸传感器，用于接收或识别人的触摸
动作，微处理器实时检测传感器信号，记录每次接收到信号的时间，实时判断上次信号已发生的时间间隔和分析次信号发生的时间信息，智能判断驾驶者的精神状态和注意力集中情况，然后根据判断结果命令音响系统播放不同类型的音乐。

该系统工作时有两种工作模式可以供司机选择，第一种是定时提示，即每过一定的时间进行提示，时间间隔为正常人的注意力集中时间；第二种工作模式是智能化提示模式，在该模式运行时，系统会自动判定司机的注意力集中情况和车速大小智能选取提示时间间隔。

设计图如下：
4.1信号检测
汽车传感器输出信号一般为电压、电阻、脉冲信号及开关量等，下面分别介绍这些信号的检测方法。

（1）电压信号
为了提高抗干扰能力和检测精度，先将电压信号经信号调理电路变换为0～5V的标准信号，再经V/F变换转换为脉冲量，经光耦隔离后通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。

V／F转换器的应用电路如图2所示，其中，将有源时钟振荡器输出的3MHz脉冲信号经74HC393四分频后作为AD652的外部时钟源。

（2）电阻信号
电阻信号先经惠斯通电桥转换为0~5V的标准信号，再经V／F变换转换为脉冲量，经光耦隔离，最后通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。

（3）脉冲信号
经光耦隔离后的脉冲信号直接通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。

（4）开关信号
开关量采集原理图如图3所示。

当刹车和转向灯等工作状态发生改变时，其辅助接点将接通YX回路的+12V电源，此时光耦导通，其输出状态发生改变，在单片机定时中断服务程序内通过I／O口读取该状态即可，其动作分辨率可达lms。

5总结
电容感应防疲劳安全驾驶系统解决了消费者在使用汽车中所遇到的困难，这套系统在实际设计的时候能够达到性能稳定、操作简便、价格适中，会很受消费者欢迎，具有一定的商业价值，这样系统的市场潜力很大。

但是我只是在学习了传感器这门课后进行了浅显的设想，将所学的知识进行了一定的整合，并与实际生活联系起来，让理论与实际相结合。

真正是否能够设计并投入使用还需要一定的时间和更专业和精确的计算。

参考文献
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