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感測器/MEMS  

用電容式感測器實現水冷卻控制

上網時間: 2008年02月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電容式感測器  水冷卻器  Csensor 

電容式感測技術為開發人員提供了一種與用戶互動的新方式,它採用螺線管控制方式克服了機械閥門或按鍵開關的常見問題。本文介紹了一個電容式感測技術在水冷卻器應用的實例,不僅展示了如何利用電容式感測技術使設備更可靠,同時並展示了如何利用管理電容式感測的控制器增添附加功能,為消費者提供更多的使用價值與降低維修費用。

機械閥門的一大缺點在於它可被強制打開甚至弄壞,而使水全部流掉。一直壓著按鈕或在外殼中擠入一些物體就可輕易地迫使它持續開著。此外,機械開關會磨損且可能滲透到產品外殼,導致污染物可進入裂縫中。而電容式感測器則不會穿透外殼,因此也不會有積聚污染物的縫隙,電容式感測器也不會磨損。這些特性使其非常適用於存放食物或食物級的設備。

如圖1所示,電容式開關是由兩條毗鄰的箔線形成的電容,二者間所形成的電容量由物理學原理所決定。如果把一個導體(如手指)放到離這兩個板很近的地方,就會形成一個與該感測器呈並聯關係的電容。把手指放到電容式感測器上,電容量將會增加;移開手指,電容量就會減少。只要測量該電容量,即可確定是否有手指放在那裡。

兩條箔線加上彼此間的隔離空間就可以形成電容式感測器。這些箔線可以是電路板的一部份,電路板上直接覆蓋了絕緣層。這些箔線也可以製成弧形表面以因應空間要求。為了建構電容式開關,設計者需要電容、電容量測量電路和本地智慧電路,以便使電容量轉換為測量狀態。

典型電容式感測器的電容量值為10-30pF。對於1mm的絕緣膜,手指對感測器的耦合電容典型值在1-2pF之間。耦合電容值隨覆膜厚度的增加而減少。要感測手指是否存在,就必須建置電容式感測電路,以更有效分辨小於1/100的電容變化。

圖1: 基本電容式感測器。
圖1: 基本電容式感測器。

delta-sigma調變器是一種簡單且有效的電容測量電路,其典型的拓撲結構如圖2所示:

圖2:測量電容值的Delta-sigma調變器拓墣
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圖2:測量電容值的Delta-sigma調變器拓墣

感測電容的電荷在相控開關的控制下注入於積分電容中。積分器電壓連續上升直到高於參考電壓。然後,比較器輸出變成高電平,使得放電電阻的開關關閉,積分電容放電。當積分電壓下降到低於參考電壓時,放電電阻支路斷開。比較器提供所需的負反饋使積分器上的電壓與參考電壓相等。

充電與放電

在第一階段中,電源向感測電容(Csensor)充電,電壓上升到供電電壓。在第二階段中,感測電容上的電荷傳送到積分電容(Cint)。反饋使積分電容上的電壓值保持在參考電壓(Vdd x k)。此一開關組合的每次動作都傳遞一些電荷。這些電荷依方程式1以開關時脈(fc)的速率傳送充電電流:

放電過程是透過電阻實現的。當比較器輸出較高電平時,可使連接放電電阻的開關接通。比較器將以一定的比率在高低電平之間循環變化,試圖使積分電容的電壓等於參考電壓。我們把比較器輸出較高電平的百分比定義為‘輸出密度’(DendityOut)。積分電容只在這個時間段放電,放電電流以方程式2表示:

在穩態時,充電電流和放電電流必須相等。設定IC等於ID可得到方程式3。

顯然地,感測電容與該密度成正比。採樣頻率、放電電阻和參考電壓值(Vdd x k)是已知的。透過測量密度就可以計算出感測電容量。由於已經使參考電壓與電源電壓成正比,因此,可從這個電容量/輸出密度的方程式中去掉電源電壓,使得該電路可耐受電源電壓波動。

我們使用數位電路來測量該密度。圖3顯示了這樣的一個電路。

脈寬調變器(PWM)限制了輸入到計數器閘的密度。這將可計算‘m’週期。假設在這段期間內,計數器累積了‘n’個樣本,則密度為n/m。若連續執行100個週期,可獲得1/100解析度的結果。若執行10倍的週期,則解析度將為1/1,000。週期數愈多,將能獲得更好的解析度。

圖3: 透過數位化測量密度,可計算出感測電容。
圖3: 透過數位化測量密度,可計算出感測電容。

以螺線管閥代替機械閥

在典型的水冷卻器中,水經由機械閥排放出來,閥門必須接近管口。使用電容式感測技術,可以螺線管閥取代機械閥,並使開關可放置在便於用戶作業之處。另外,還可以由CPU來決定開關被按下的時間長度,避免惡意使用者迫使閥門長開。這個防止惡意使用的保護措施可根據設計需求而簡化或複雜化。

此一保護裝置設計採用Cypress公司的CY24x94 PSoC,其中有三個接腳用於訊號輸入,分別連接到感測器、放電電阻和積分電容,一個輸出接腳用於驅動水閥。圖4顯示該設計結構圖。

圖4: 由電容式感測控制的水閥
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圖4: 由電容式感測控制的水閥

添加溫度測量功能

傳統的水冷卻器包含水箱、冷卻壓縮機和熱繼電器。熱繼電器監視水箱中的水溫。當水溫上升到特定溫度以上時,熱繼電器啟動使壓縮機執行。調整繼電器的旋鈕便可以調節水溫。這是一種不太精確的開放迴路作業。

不同於使用熱繼電器,我們可以用電容式感測器的控制器來測量溫度,並控制壓縮機的功率。只要使用第一個控制器,就可以重新配置使該控制器同時擔任測溫任務而無需再加入控制器。

使用電熱調節器(一種半導體元件,其電阻隨溫度上升而下降)我們可以方便地實現溫度測量。被測溫度可依據測得的電阻值計算出來。圖5顯示了一個電阻測量電路。

圖5: 電阻量測體
圖5: 電阻量測體

透過測量電熱調節器和參考電阻兩端的電壓,我們可以確定電熱調節器的電阻,如方程式4。

用於感測電容值的相同電路可再重新配置,以便用於溫度測量。透過轉換得到的溫度值適用於確定是否應啟動冷卻壓縮機。

由於壓縮機過熱可能導致系統發生故障,我們可以增加用於測量室溫和壓縮機溫度的電熱調節器。

當檢測到問題發生時,感測控制器可以讓壓縮機停止運作,並向用戶顯示該單元已出現故障並等待維修的警告標誌。

萬用表與顯示器功能

那麼,如果壓縮機的運作過熱,應採取哪些步驟呢?第一個疑難排解的建議是測量輸入電壓。我們可以透過簡單地動態重新配置來實現這項診斷。把該控制器重新配置成電壓表可實現對主電壓的測量,此外,也可以用來測量該系統的其他電壓。圖6顯示了具有所有這些附加功能的結構圖。

圖6: 以水溫控制改善系統
圖6: 以水溫控制改善系統

如果用戶能夠設定期望的溫度,那麼將有助於輕易的測量到溫度;而要實現這個功能,還需要增加鍵盤和顯示器。

我們可以利用電容式感測器實現簡單的小鍵盤,更充分地利用電容式感測用戶模組。該控制器也可以使用標準的產業協議來控制LCD驅動器IC。透過這些簡單的步驟,用戶現可設定所要的水溫並看到結果顯示。16個輸入端將保留作為用戶介面。

定時與USB功能

加入一個時脈晶體,電容式感測控制器也可以實現準確定時,這樣我們就可以在一般不使用水冷卻器的時段中,關掉水冷卻器或提高其工作溫度的設定值。

圖7顯示了具有這些附加功能的結構圖。

圖7: 完整的水冷卻器建置結構圖
圖7: 完整的水冷卻器建置結構圖

擁有水冷卻器的主要成本是維修服務的費用。如果電容式感測控制器也具有USB介面的話,就可以其作為診斷埠,如圖8所示。當維修技師上門服務時,只要把筆記型電腦插入服務埠,就可以取得有關的故障資訊並進行故障排除。另一種可能的方式是把用戶的PC連接到該埠,讓遠端的技師判定故障的原因。

圖8: 具備USB診斷埠的完整水冷卻器建置結構圖
圖8: 具備USB診斷埠的完整水冷卻器建置結構圖

由於電容式感測控制器的I/O接腳數目多且具有可動態重新配置的特性,幾乎可以無限制地增加特性。比如,可以加入應力計來測量瓶中所剩的水重,或加入無線介面以更方便地實現診斷。

由於沒有機械元件而且也非常易於適應弧形表面,因此對於今天的產品應用來說,觸控感測電容式開關是一種近乎理想的技術。利用現有硬體再經過動態重新配置後,僅需增加很少的成本或完全不必增加成本,就能夠使系統具有更多的功能。

作者:Dave Van Ess

應用工程師兼技術研究員

Cypress半導體




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