專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電容式測(cè)距方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)距技術(shù)，特別涉及一種電容式測(cè)距方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)、開(kāi)光驅(qū)門(mén)等計(jì)算機(jī)的操作，都是通過(guò)用戶(hù)的手指接觸并 按動(dòng)相應(yīng)按鍵后才能夠?qū)崿F(xiàn)，在計(jì)算機(jī)上缺乏能夠自動(dòng)探測(cè)用戶(hù)與計(jì)算機(jī)之間 距離，進(jìn)而根據(jù)用戶(hù)與計(jì)算機(jī)之間距離遠(yuǎn)近做出相應(yīng)反饋和指示的裝置，這使 得計(jì)算機(jī)停留在僅僅是機(jī)器的狀態(tài)，沒(méi)有與人形成互動(dòng)。
基于距離測(cè)量的傳感裝置有很多種，比如激光測(cè)距、無(wú)線(xiàn)電測(cè)距等，這類(lèi) 測(cè)距裝置主要應(yīng)用于精密測(cè)量方面，但這些裝置都非常龐大、復(fù)雜和昂貴，不 適合于安裝在計(jì)算機(jī)上，用于測(cè)量用戶(hù)與計(jì)算機(jī)之間的距離。超聲波測(cè)距、紅 外光反射測(cè)距、圖像識(shí)別測(cè)距等測(cè)距裝置，體積可以制作的比較小，可以安裝 在計(jì)算機(jī)上，距離測(cè)量的精度也能達(dá)到厘米級(jí)，但是這類(lèi)測(cè)距裝置對(duì)硬件要求 較高，計(jì)算量非常大，需要較高性能的微處理器才能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種電容式測(cè)距方法，能在體積小、 易于實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，達(dá)到一定精度的測(cè)距目的。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種電容式測(cè)距裝置，安裝簡(jiǎn)便、占用空間小， 且能保證一定的測(cè)距精度。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種電容式測(cè)距裝置，該裝置包括模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)化裝置、微 控制器；其中，
模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器，連接待測(cè)電容和轉(zhuǎn)化裝置，用于將待測(cè)電容值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；
轉(zhuǎn)化裝置，連接微控制器，用于將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為測(cè)量參數(shù)，并將該測(cè)量 參數(shù)傳送到微控制器；
微控制器，根據(jù)距離與測(cè)量參數(shù)的關(guān)系式計(jì)算距離并輸出。 所述轉(zhuǎn)化裝置包括但不限于張馳振蕩器、微分器。 所述測(cè)量參數(shù)包括但不限于頻率、電壓。
所述轉(zhuǎn)化裝置為張馳振蕩器；
所述張馳振蕩器包括恒流源、繼電器、運(yùn)算放大器；其中，恒流源與繼電 器的常開(kāi)觸點(diǎn)連接，連接點(diǎn)為第一節(jié)點(diǎn)，待測(cè)電容一端接地，另一端連接第一 節(jié)點(diǎn)，第一節(jié)點(diǎn)連接運(yùn)算放大器的正極，運(yùn)算放大器的負(fù)極連接參考電壓，運(yùn) 算放大器輸出端連接微控制器，運(yùn)算放大器輸出端連接繼電器的常閉觸點(diǎn)。
所述轉(zhuǎn)化裝置為微分器；
所述微分器包括電壓源、運(yùn)算放大器、第一反饋電阻、第二反饋電阻；其 中，電壓源連接待測(cè)電容一端，待測(cè)電容另一端連接運(yùn)算放大器負(fù)極，待測(cè)電 容與運(yùn)算放大器負(fù)極連接點(diǎn)為第二節(jié)點(diǎn)，第一反饋電阻一端連接第二節(jié)點(diǎn)，另 一端連接運(yùn)算放大器輸出端，第二反饋電阻一端連接運(yùn)算放大器正極，另一端 接地。
一種電容式測(cè)距方法，設(shè)置根據(jù)測(cè)量參數(shù)計(jì)算距離的關(guān)系式、參數(shù)值；該 方法還包含以下步驟
A、 將待測(cè)電容值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為測(cè)量參數(shù)；
B、 確定測(cè)量模式，根據(jù)所設(shè)置的關(guān)系式計(jì)算距離并輸出。 所述參數(shù)包括但不限于寄生參數(shù)、恒流源內(nèi)阻、反饋電阻、正弦電壓角頻
率、待測(cè)電容標(biāo)準(zhǔn)值、測(cè)量模式。 所述步驟B進(jìn)一步包括
Bl、確定測(cè)量模式，如果為粗略測(cè)量，則設(shè)定寄生參數(shù)為1,進(jìn)入步驟B3; 如果為精確測(cè)量，則進(jìn)入步驟B2;
B2、零距離接觸待測(cè)電容，記錄電容最大值，根據(jù)寄生參數(shù)計(jì)算公式得到 寄生參數(shù)值；
B3、根據(jù)所設(shè)置的距離與測(cè)量參數(shù)之間的關(guān)系式計(jì)算距離并輸出。
步驟A所述轉(zhuǎn)化是通過(guò)張馳振蕩器將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率；或是通過(guò)微分 器將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓。
本發(fā)明所提供的電容式測(cè)距方法及裝置，通過(guò)將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為便于測(cè)量 的頻率、電壓等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)基于電容的距離測(cè)量，因此本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1) 本發(fā)明釆用簡(jiǎn)單廉價(jià)的硬件平臺(tái)微控制器、運(yùn)算放大器、外圍電路等， 將電容轉(zhuǎn)化為頻率、電壓這樣便于測(cè)量的參數(shù)，通過(guò)對(duì)頻率、電壓的測(cè)量，并 根據(jù)頻率、電壓與距離之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的測(cè)量，由于電容 只是中間量，不需要計(jì)算電容值，計(jì)算量大大減少。
2) 采用本發(fā)明的測(cè)量方法，如果忽略電容寄生參數(shù)的影響，可以粗略測(cè)量 出兩個(gè)物體之間的距離；或者，通過(guò)計(jì)算寄生參數(shù)，也可以在厘米級(jí)別精確測(cè) 量距離。


圖1為本發(fā)明思想的原理示意圖2為電容隨距離變化的曲線(xiàn)示意圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖4為張馳振蕩器結(jié)構(gòu)圖5為本發(fā)明另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖6為微分器的結(jié)構(gòu)圖7為本發(fā)明方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的基本思想如圖1所示，電路板上兩個(gè)相鄰區(qū)域形成電容Cp的兩 極，當(dāng)人的手指或人體靠近Cp時(shí)，人體的寄生電容CF將耦合到Cp的兩極板 上，使Cp值變大，通過(guò)測(cè)量Cp的改變情況，即可測(cè)量出人體距離兩個(gè)電極
的距離，該方法測(cè)量的距離可以達(dá)到幾十厘米。
將電容器Cp的電容值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量C。ut，將此數(shù)字化后的電容值C。ut輸入
給微控制器(MCU, Micro Controller Unit),微控制器對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算， 得出人體與電容器Cp之間的距離值S。
圖2是不同用戶(hù)身體與電容器之間的距離與電容值C。ut之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 C。ut越大，距離S值就越小，當(dāng)C。ut達(dá)到最大時(shí)，人體與電容器Cp距離S趨近 于零；當(dāng)C。ut不斷減小時(shí)，人體與電容器Cp距離S就越來(lái)越遠(yuǎn)。
距離與電容的關(guān)系可以用公式S:K《。ut"表示，其中，寄生參數(shù)K的取值 與用戶(hù)有關(guān)，不同的用戶(hù)K的取值是不同的。K= (maxC加t — C)/C，其中maXC。ut 是用戶(hù)與電容器Cp距離趨近于零時(shí)的最大電容值，C是電容器Cp在沒(méi)有人體 影響時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)值。
在不需要精確測(cè)量的情況下，通常取K-1，則S-K《。ut'1。
對(duì)于精確測(cè)量的情況，K值可以這樣獲得，不同用戶(hù)在進(jìn)行測(cè)量前，需要 進(jìn)行一次初始化，即人體與電容器零距離接近一次，獲得零距離時(shí)的最大電容 值max C。ut,然后根據(jù)關(guān)系式K= (max C。ut - C)/C得到該用戶(hù)對(duì)應(yīng)的K值。
電容值通常不易測(cè)量，本發(fā)明釆取轉(zhuǎn)化的方式測(cè)量電容值。如圖3所示， 待測(cè)電容通過(guò)模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器(A/D, Analog/Digital)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，該
數(shù)字信號(hào)輸入張馳振蕩器，使用張馳振蕩器將電容參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率，并將頻率 值輸出到微控制器，微控制器根據(jù)頻率計(jì)算并輸出距離。
張馳振蕩器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，該張馳振蕩器包括恒流源VDD、繼電器 S、運(yùn)算放大器A。其中，恒流源VDD與繼電器S的常開(kāi)觸點(diǎn)連接，連接點(diǎn)為 節(jié)點(diǎn)P，待測(cè)電容C。ut—端接地，另一端連接節(jié)點(diǎn)P,節(jié)點(diǎn)P連接運(yùn)算放大器A 的正極，運(yùn)算放大器的負(fù)極連接參考電壓Vth，運(yùn)算放大器輸出端連接微控制 器，運(yùn)算放大器輸出端連接繼電器的常閉觸點(diǎn)。
張馳振蕩器的工作原理為電源VDD接通，繼電器S常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電 容C加充電，電容C。ut兩端電壓達(dá)到參考電壓Vth值時(shí)，繼電器S常開(kāi)觸點(diǎn)斷 開(kāi)，電容器C。ut放電，運(yùn)算放大器A輸出頻率值。不同的C。ut會(huì)得到相應(yīng)的輸
出頻率值，其關(guān)系式為F。ut-l/(R'C。ut)，其中，R是恒流源的內(nèi)阻，是一個(gè)常
數(shù)，根據(jù)不同的恒流源而變化。同時(shí)，根據(jù)S卡Cout",得到S-K'R'F。ut 。這
樣，通過(guò)測(cè)量頻率F礎(chǔ)的改變情況，即可測(cè)量出人體距離兩個(gè)電極的距離。
還可以使用微分器可以將電容參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓值，根據(jù)電壓變化來(lái)測(cè)量電
容值。如圖5所示，將待測(cè)電容經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信 號(hào)輸入微分器，微分器連接微控制器，微控制器計(jì)算得到輸出距離。
圖6所示是微分器的結(jié)構(gòu)圖，電壓源Ui連接待測(cè)電容C。ut—端，待測(cè)電容 C。ut另 一端連接運(yùn)算放大器A負(fù)極，標(biāo)記待測(cè)電容C。ut與運(yùn)算放大器A負(fù)極連 接點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)Q，反饋電阻R1 —端連接節(jié)點(diǎn)Q，另一端連接運(yùn)算放大器A輸出 端，反饋電阻R2連接運(yùn)算放大器A正極，另一端接地。
微分器的輸入電壓Ui為正弦電壓，電阻R1和R2取值均為R，根據(jù)關(guān)系式 Ui = Sincot， Uout=Cout'RcoCoso)t，可得Cout = Uout/(RcoCoso)t)， (R、 co是常數(shù))，
再由式S-K'C。ut",可得S = (KRcoCoscot)/Uout，
取t = KIT時(shí)，S = (KRco)/U。ut。這樣通過(guò)測(cè)量電壓U。ut的改變情況，即可測(cè) 量出人體距離兩個(gè)電極的距離。
釆用以上裝置精確測(cè)量距離的方法，具體步驟如圖7所示
步驟701:微控制器設(shè)置根據(jù)測(cè)量參數(shù)計(jì)算距離的關(guān)系式、參數(shù)值。
微控制器根據(jù)不同的轉(zhuǎn)化裝置設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算距離的關(guān)系式，以及對(duì)應(yīng)的 參數(shù)值。參數(shù)主要包括寄生參數(shù)K、恒流源內(nèi)阻R、反饋電阻R1、 R2、正弦 電壓角頻率co、待測(cè)電容標(biāo)準(zhǔn)值C、測(cè)量模式。
步驟702:將測(cè)量的模擬電容值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)C。ut,并將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為 測(cè)量參數(shù)。
由于微控制器計(jì)算需要的是數(shù)字量，所以需要將待測(cè)電容對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào) 經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。
這里，可釆用張馳振蕩器將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，或者采用微分器將電容 參數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓。
步驟703:微控制器確定測(cè)量模式，根據(jù)步驟701設(shè)置的距離與測(cè)量參數(shù)
之間的關(guān)系式計(jì)算距離并輸出。
微控制器根據(jù)用戶(hù)確定的測(cè)量模式，如果是粗略測(cè)量，令寄生參數(shù)K4，
可得S二R'F。ut，或者，S = (Rco)/U。ut，從而粗略的計(jì)算距離S。
如果是精確測(cè)量，則用戶(hù)的身體某部位靠近電容器Cp,零距離接觸待測(cè)電 容Cp，記錄電容最大值max C。ut,根據(jù)寄生參數(shù)K計(jì)算公式<formula>formula see original document page 9</formula>, 得到該用戶(hù)的寄生參數(shù)K值。然后，再根據(jù)<formula>formula see original document page 9</formula>或<formula>formula see original document page 9</formula>，計(jì) 算距離S。
在實(shí)際實(shí)施中，電容器Cp的形態(tài)可以根據(jù)需要來(lái)確定，它可以是印刷在 電路板上的電極，也可以是用金屬導(dǎo)線(xiàn)圍成的一組線(xiàn)圈。
實(shí)際應(yīng)用中，將本發(fā)明的裝置安裝在臺(tái)式計(jì)算機(jī)的主機(jī)上，分別在主機(jī)的 光驅(qū)門(mén)位置、主機(jī)開(kāi)關(guān)位置、前面板輸入輸出端口位置等，放置用金塑線(xiàn)圈圍 成的電容器Cp，通過(guò)對(duì)采集來(lái)的各個(gè)Cp值進(jìn)行的比較，就可以判斷出用戶(hù)身 體與相應(yīng)位置的距離，根據(jù)這些距離值的變化，可以控制指示燈閃爍，或根據(jù) 距離遠(yuǎn)近使指示燈進(jìn)行明暗變化，或者是控制主機(jī)的開(kāi)關(guān)機(jī)，控制光驅(qū)門(mén)的開(kāi) 閉等等。本方案還可以應(yīng)用到顯示器及其他家電上。
對(duì)于不同的身體部位，寄生參數(shù)K值可能會(huì)不同，需要區(qū)分身體各個(gè)部位 時(shí)，在步驟704中對(duì)身體每個(gè)部位接近電容一次，得到該部位對(duì)應(yīng)的寄生參數(shù)， 以便后續(xù)的計(jì)算。釆用本發(fā)明的方法，還可以測(cè)量其他物體與電容之間的距離， 所基于的原理和釆用的流程和測(cè)量人體與電容間距離是完全類(lèi)似的。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種電容式測(cè)距裝置，其特征在于，該裝置包括:模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)化裝置、微控制器；其中，模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器，連接待測(cè)電容和轉(zhuǎn)化裝置，用于將待測(cè)電容值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；轉(zhuǎn)化裝置，連接微控制器，用于將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為測(cè)量參數(shù)，并將該測(cè)量參數(shù)傳送到微控制器；微控制器，根據(jù)距離與測(cè)量參數(shù)的關(guān)系式計(jì)算距離并輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電容式測(cè)距裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)化裝置包 括但不限于張馳振蕩器、微分器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電容式測(cè)距裝置，其特征在于，所述測(cè)量參數(shù)包 括但不限于頻率、電壓。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電容式測(cè)距裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)化裝置為 張馳振蕩器；所述張馳振蕩器包括恒流源、繼電器、運(yùn)算放大器；其中，恒流源與繼電 器的常開(kāi)觸點(diǎn)連接，連接點(diǎn)為第一節(jié)點(diǎn)，待測(cè)電容一端接地，另一端連接第一 節(jié)點(diǎn)，第一節(jié)點(diǎn)連接運(yùn)算放大器的正極，運(yùn)算放大器的負(fù)極連接參考電壓，運(yùn) 算放大器輸出端連接微控制器，運(yùn)算放大器輸出端連接繼電器的常閉觸點(diǎn)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電容式測(cè)距裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)化裝置為 微分器；所述微分器包括電壓源、運(yùn)算放大器、第一反饋電阻、第二反饋電阻；其 中，電壓源連接待測(cè)電容一端，待測(cè)電容另一端連接運(yùn)算放大器負(fù)極，待測(cè)電 容與運(yùn)算放大器負(fù)極連接點(diǎn)為第二節(jié)點(diǎn)，第一反饋電阻一端連接第二節(jié)點(diǎn)，另 一端連接運(yùn)算放大器輸出端，第二反饋電阻一端連接運(yùn)算放大器正極，另一端 接地。
6、 一種電容式測(cè)距方法，其特征在于，設(shè)置根據(jù)測(cè)量參數(shù)計(jì)算距離的關(guān)系 式、參數(shù)值；該方法還包含以下步驟A、 將待測(cè)電容值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為測(cè)量參數(shù)；B、 確定測(cè)量模式，根據(jù)所設(shè)置的關(guān)系式計(jì)算距離并輸出。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電容式測(cè)距方法，其特征在于，所述參數(shù)包括但 不限于寄生參數(shù)、恒流源內(nèi)阻、反饋電阻、正弦電壓角頻率、待測(cè)電容標(biāo)準(zhǔn)值、 測(cè)量模式。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電容式測(cè)距方法，其特征在于，所述步驟t進(jìn) 一步包括Bl、確定測(cè)量模式，如果為粗略測(cè)量，則設(shè)定寄生參數(shù)為1,進(jìn)入步驟B3; 如果為精確測(cè)量，則進(jìn)入步驟B2;B2、零距離接觸待測(cè)電容，記錄電容最大值，根據(jù)寄生參數(shù)計(jì)算公式得到 寄生參數(shù)值；B3、根據(jù)所設(shè)置的距離與測(cè)量參數(shù)之間的關(guān)系式計(jì)算距離并輸出。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電容式測(cè)距方法，其特征在于，步驟A所述轉(zhuǎn) 化是通過(guò)張馳振蕩器將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率；或是通過(guò)微分器將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化 為電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電容式測(cè)距裝置，該裝置包括模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)化裝置、微控制器；其中，模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器，連接待測(cè)電容和轉(zhuǎn)化裝置，用于將待測(cè)電容值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；轉(zhuǎn)化裝置，連接微控制器，用于將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為測(cè)量參數(shù)，并將該測(cè)量參數(shù)傳送到微控制器；微控制器，根據(jù)距離與測(cè)量參數(shù)的關(guān)系式計(jì)算距離并輸出。本發(fā)明還公開(kāi)了相應(yīng)方法，設(shè)置根據(jù)測(cè)量參數(shù)計(jì)算距離的關(guān)系式、參數(shù)值；該方法還包含以下步驟將待測(cè)電容值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并將電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為測(cè)量參數(shù)；確定測(cè)量模式，根據(jù)所設(shè)置的關(guān)系式計(jì)算距離并輸出。本發(fā)明能夠粗略或精確計(jì)算兩物體之間距離，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用。
文檔編號(hào)G01B7/02GK101382411SQ20071012144
公開(kāi)日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2007年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月6日
發(fā)明者劉湘濤, 雷 馬 申請(qǐng)人:聯(lián)想(北京)有限公司