汽車(chē)智能把手
智能汽車(chē)把手
首先來(lái)說(shuō)說(shuō)我們?yōu)槭裁匆O(shè)計(jì)這款產(chǎn)品
1：人們對(duì)于汽車(chē)行業(yè)設(shè)計(jì)相比于大多數(shù)其它行業(yè)，人們對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)寄予的期望值更高。
上個(gè)周末，我和一位鄰居前往電腦商店購(gòu)買(mǎi)一個(gè)新鍵盤(pán)。他的電腦已經(jīng)用了兩年了，鍵盤(pán)不再好使。我們上了他的車(chē)，他開(kāi)始發(fā)脾氣，因?yàn)槭找魴C(jī)的一個(gè)按鈕壞了。提請(qǐng)您注意，這輛車(chē)服役已達(dá)12年之久，而電腦鍵盤(pán)才用了區(qū)區(qū)兩年，但他卻對(duì)自己的汽車(chē)有著更高的期待。人人都是這樣的。
2：對(duì)于許多非汽車(chē)工程師來(lái)說(shuō)，面向汽車(chē)應(yīng)用的開(kāi)關(guān)和按鈕所遭受的設(shè)計(jì)約束他們甚至連想都想不到。它們必須應(yīng)對(duì)的不利條件是：
● 寬溫度范圍
● 寬濕度范圍
● 駕乘人員連續(xù)不斷的污損
3：與早期的車(chē)型相比，如今汽車(chē)的開(kāi)關(guān)和按鈕要多得多。不僅數(shù)量眾多，而且還必需能夠很容易地安裝到外形日益多樣化的操縱面之中。另外，它們還需具備成本效益性，以取代密封型開(kāi)關(guān)。一種逐漸走紅的方法是轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎秒娙菔接|摸開(kāi)關(guān)。由于未采用機(jī)械式部件，而且能夠與成形操縱面相吻合，因此sensorium開(kāi)關(guān)提供了汽車(chē)行業(yè)所需要的可靠性和價(jià)位。
下面我來(lái)講講這款產(chǎn)品基本原理，基于大家都應(yīng)當(dāng)知道的原理。
如圖1所示，電容式開(kāi)關(guān)基本上就是一個(gè)由兩根相鄰走線形成的電容器；物理定律決定了在它們之間存在電容。如果把一個(gè)導(dǎo)體（比如：手指）放置在靠近這些極板的地方，則一個(gè)并聯(lián)電容將與該傳感器相耦合。當(dāng)把手指放置于電容式傳感器之上時(shí)，電容將增加。拿開(kāi)手指后，電容將減小。在增加了用于測(cè)量電容變化的電路之后，就可以確定手指的存在與否了。
一根走線、間隔、另一根走線，這就是組成一個(gè)電容式傳感器的全部所需。這就是這個(gè)傳感器的控制模塊組成核心部分。并使之貼合在把手的內(nèi)表面相與之相吻合，這樣它們便可適合于汽車(chē)中幾乎所有的應(yīng)用。
構(gòu)造一個(gè)電容式開(kāi)關(guān)需要：
● 一個(gè)電容器
● 電容測(cè)量電路
● 用于把電容值轉(zhuǎn)換成某種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的局部智能。
典型的電容式傳感器具有10pF~30pF的電容值。手指通過(guò)1mm的絕緣透明塑料膜耦合至傳感器的電容通常為1pF~2pF。當(dāng)采用較厚的透明塑料膜時(shí)，耦合電容減小。為了檢測(cè)手指的存在與否，需要設(shè)計(jì)能夠測(cè)量出由手指引起的1%電容變化幅度的電容式觸摸感應(yīng)電路。
弛張振蕩器是一種有效而簡(jiǎn)單的電容測(cè)量電路。典型的弛張振蕩器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示于圖2。
該電路由4個(gè)元件組成，一開(kāi)始，放電開(kāi)關(guān)處于開(kāi)路狀態(tài)。當(dāng)該開(kāi)關(guān)開(kāi)路時(shí)，全部電流均進(jìn)入傳感器，導(dǎo)致其電壓線性轉(zhuǎn)換。該充電操作持續(xù)進(jìn)行，直至傳感器電壓達(dá)到比較器的門(mén)限電平為止。比較器隨后從低電平變換至高電平，導(dǎo)致放電開(kāi)關(guān)閉合。電容式傳感器通過(guò)該低阻抗路徑迅速放電至地。該過(guò)程將使比較器的輸出從高電平變換至低電平，然后重復(fù)這一循環(huán)。如下面的公式所示，輸出頻率（fout）與充電電流成正比，而與門(mén)限電壓和傳感器電容成反比。測(cè)量該頻率，以確定傳感器電容：
當(dāng)充電電流為5mA、比較器門(mén)限為1.3V且傳感器電容為30pf時(shí)，輸出頻率為128kHz。測(cè)量輸出頻率花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，獲得的分辨率就越高。頻率分辨率的提高將改善電容測(cè)量的靈敏度。增加測(cè)量時(shí)間將提升測(cè)量電容分辨率。在每種應(yīng)用中，可根據(jù)不同的傳感器尺寸和透明塑料膜厚度來(lái)相應(yīng)地調(diào)整測(cè)量時(shí)間的變化。
如果利用上面的公式來(lái)求解電容，則將得出下面的方程：
uage:ZH-CN;mso-bidi-language:AR-SA'>）與充電電流成正比，而與門(mén)限電壓和傳感器電容成反比。測(cè)量該頻率，以確定傳感器電容：
顯然，人們實(shí)際上希望測(cè)量的是輸出頻率的周期。圖3示出了用于進(jìn)行周期測(cè)量的方框圖和波形。 o-bidi-font-family:宋體'>。測(cè)量輸出頻率花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，獲得的分辨率就越高。頻率分辨率的提高將改善電容測(cè)量的靈敏度。增加測(cè)量時(shí)間將提升測(cè)量電容分辨率。在每種應(yīng)用中，可根據(jù)不同的傳感器尺寸和透明塑料膜厚度來(lái)相應(yīng)地調(diào)整測(cè)量時(shí)間的變化。
如果利用上面的公式來(lái)求解電容，則將得出下面的方程：
uage:ZH-CN;mso-bidi-language:AR-SA'>）與充電電流成正比，而與門(mén)限電壓和傳感器電容成反比。測(cè)量該頻率，以確定傳感器電容：
輸出頻率被用于對(duì)一個(gè)脈寬調(diào)制器PWM進(jìn)行定時(shí)，PWM輸出是一種由一些低電平周期再加上一些高電平周期的波形，實(shí)際數(shù)值由各個(gè)應(yīng)用來(lái)決定。該信號(hào)起計(jì)數(shù)器邏輯門(mén)的作用，高電平邏輯門(mén)允許計(jì)數(shù)器以 fref的速率遞增計(jì)數(shù)。在該邏輯門(mén)信號(hào)的下降沿上，生成了一個(gè)中斷信號(hào)，從而使得能夠?qū)τ?jì)數(shù)器進(jìn)行讀取和復(fù)位操作。如前文所述，當(dāng)充電電流為5mA、比較器門(mén)限為1.3V且傳感器電容為30pf時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)128kHz的輸出頻率。當(dāng)采用一個(gè)6MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘時(shí)，一個(gè)周期所累積的計(jì)數(shù)值為46，一個(gè)雙周期邏輯門(mén)將產(chǎn)生一個(gè)93的計(jì)數(shù)值，對(duì)于10個(gè)周期而言，計(jì)數(shù)值將為468。顯然，累積計(jì)數(shù)值越大，分辨率或靈敏度就越高。較大的計(jì)數(shù)值可通過(guò)以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：
● 提高基準(zhǔn)頻率
● 降低振蕩器頻率
● 增加用于邏輯門(mén)信號(hào)的周期數(shù)量。
Sensorium開(kāi)關(guān)的應(yīng)用并不局限于汽車(chē)的把手。車(chē)門(mén)把手開(kāi)關(guān)傳感器只是一個(gè)理想的實(shí)例。對(duì)于該應(yīng)用而言，塑膠把手被用作傳感器的介質(zhì)，使該傳感器具有*的靈敏度，還可以用作一個(gè)靠近探測(cè)器。當(dāng)檢測(cè)到有一只手逐漸靠近車(chē)門(mén)時(shí)，電源將被加至需要高得多的功率的安全硬件上。作為汽車(chē)報(bào)警系統(tǒng)的一部分，可以把該結(jié)果記錄下來(lái)，并通知車(chē)主有人反復(fù)嘗試接近汽車(chē)的車(chē)門(mén)把手。（甚至有可能車(chē)主的手機(jī)。）
由于沒(méi)有機(jī)械部件，而且可以很容易地與各種曲面相吻合，觸摸感應(yīng)電容器開(kāi)關(guān)因而堪稱(chēng)面向當(dāng)今汽車(chē)應(yīng)用的理想技術(shù)。它們是傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的成本/效益型替代方案，并使得設(shè)計(jì)師能夠?qū)崿F(xiàn)具有新穎性和創(chuàng)新性的客戶面板功能。
