一种悬停按钮传感器单元及悬停触发按钮制造技术

一种悬停按钮传感器单元及由其构成的悬停触发按钮，该单元包括：电源电路，电容传感器，电容数字转换电路和MCU，声光反馈控制电路、通讯电路；电容传感器为一个凸字形布置的中心电极和外围电极，电容数字转换电路测量人体手指接近后的中心电极和外围电极的自电容和互电容，计算判断手指是否进入区域范围及停留时间，以此控制模块输出该按钮的控制逻辑信号；借助这个传感器单元构成的按钮，检测人体手指接近某个中心电极上部有效悬停触发区域范围，通过声光反馈控制电路提供人体手指进入某个中心电极上部有效悬停触发区域范围的三态响应；本实用新型专利技术提供了结构设计合理，有效抵御各种干扰，充分利用电容检测的低成本和成熟的CDC芯片技术，为卫生敏感提供了可以普及推广的商业化技术解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种悬停按钮传感器单元及悬停触发按钮
本技术涉及公共卫生的按钮，特别是考虑卫生敏感下的感应按钮，例如水龙头、抽水马桶的冲水按钮、开水器的防水按钮等，尤其是电梯的按钮设计。
技术介绍
新冠肺炎疫情的出现，加上季节性流感现等情况，对于电梯的消毒，特别是按钮开关的消毒，面临巨大的工作量，甚至难以实现病毒的消毒处理，为此社会上出现对接近感应按钮的需求，因为直接接触公共区域的按钮开关，例如电梯楼层选择和开关门的按钮，卫生间的冲水开关，公共饮用水开关等容易导致感染传染性疾病，而非接触式的按钮可以避免这样的风险。对于人体的接近，特别是操作电梯按钮的手指的接近，有很多技术方案可以采用，包括摄像头、红外或射频等技术，例如中国201480079328.5号专利；但电容感应是各种感应方案中成本最低的方案。对于目前公共区域大量使用的光电感应水龙头，以及冲水马桶的人体感应控制，除了感应控制器成本比较高以外，还存在很多难以自己掌控随心所欲的问题，例如清洗衣服及用毛巾洗脸时，感应龙头难以正常工作，使用者需要一种十分接近实体水龙头控制的感应控制技术。中国专利201480079328公开了一种利用手势控制电梯的技术方案，在其说明书中，提到了类似摄像等技术来记录手势，包括预先设置手势，其主要的技术构成是先记录甚至定制手势，把这些手势的数据记录在系统中形成手势库，然后在侦察到一种手势命令后，与手势库进行对比，判断出手势的含义，有点类似目前已经开始普及起来的人脸设别技术；该技术需要的硬件设备多且昂贵，另一方面，使用者的定制也是非常困难的，由于人体手势及动作方式千奇百怪，在准确判断识别和抗干扰这二个矛盾方面，该技术存在相当大的挑战，目前市面上没有出现这个产品也间接说明该技术的难度。申请号201610551225.5，提出带有凹槽的电容式接近按钮，电容式接近按钮设置在凹槽底部，通过阈值设计人手指必须伸进凹槽内才能触发接近按钮，该申请并未披露电容接近按钮的具体电容测量方法，该方案存在存在着使用者的手指伸进凹槽容易触碰凹槽内壁的缺陷，特别是在电梯这种灯光相对昏暗及人员可能拥挤的环境中，同时，手势感应的使用者不太可能保证其动作的手指能够完全受控而不会产生抖动，否则就失去卫生敏感的意义；另外一方面，该专利对于温湿度等环境因素对设定阈值的影响也无法避免。美国专利US7498822公开了一种电容感应人体手指接近的方案，也是采用类似的凹形设计的电容电极，同样存在上述问题，如果设法避免上述问题，按照我们的实验来看，需要让手指与开关壁有2cm以上的距离作为设计基础，那么，凹形电极设置的开关，最少需要5cm的内径设计，使得电梯众多开关按钮的排布成为挑战；另外，该专利披露了单纯模拟电路来测量电容的技术方案，并且还进一步为了消除相互串扰，特意采用等电势的办法和采用差分放大器等，但经过我们反复实验，人体手指对于电梯环境下设计的一个电极在防止无意触碰的安全距离下，所能够产生的电容值变化大体是10ff量级的，单纯模拟电路很难在测量与消除环境影响间取得较好的效果，所需要的器件成本也很高。另外，凹形电极布置的结构将增加悬停按钮结构成型的复杂度，导致加工成本的上升，并影响悬停按钮的美观和今后电梯的清洁消毒工作。美国专利US7498822仅仅采用测量自电容的方法，而排斥互电容的测量方法，没有利用互电容抗干扰能力强的优点，提高悬停按钮的性能，此外，该专利由于没有悬停按钮必须的声光反馈系统，会给操作者造成使用悬停按钮的困惑和不便。现有成熟技术的电容数字转换电路(CDC)，例如DAI7142、ADI7147，采用Δ-∑调制方式通过多次对被测电容进行充放电并于参考电容比较的方法(参见：USPatentNumber：5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，可以将对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，容易满足测量系统在安全距离下对电容测量灵敏度的要求，特别是，这些芯片的设计具有多个通道，使得电路设计简单方便，从而有效降低成本和安装难度。相比于摄像头、红外或射频等技术，在检测人体接近方面，电容检测技术具有电路结构简单，成本低廉等特点，但同时也存在着电容变化不大而对检测分辨率的高要求，还有电容检测极容易受到环境的影响。一般而言，电容电极构成的自电容以及电极间构成的互电容，都会受到接近的手指的影响，有效利用这些影响同时考虑自电容测量和互电容测量的不同特性来检测手指接近程度，同步排除身体其它部位、误动作、环境对电极电容测量的影响，目前还不是很容易的。对于采用电容感应人体手指接近的悬停按钮，需要充分考虑使用者的不同感应习惯，同时要防止身体其它部位的感应及清洁工清洁时的动作带来的误触发，做到精确判断，在电梯这样的环境下，是相当困难的，所以，至今没有见到商业化的产品问世。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的不足，创造一种特别适合悬停按钮特点的电容传感器，再配合成熟的电容数字转换技术，充分利用了CDC电路对杂散分布电容免疫的特长，采用了自电容和互电容相结合的测量方法，加上三态声光反馈电路，考虑人体手指接近的特点，避免各种不同的干扰，精确判断手指的接近动作来触发按钮，不但适合电梯的配套，而且适合现有电梯按钮的改造，同样适用于其它卫生敏感的按钮控制，整体成本容易被商业化所接受。本技术开发出一个对应一个按钮的电容传感器单元，悬停按钮传感器单元，包括：电源电路，电容传感器，电容数字转换电路，控制模块，声光反馈控制电路，通讯电路；所述电容传感器由一组或者多组电极构成，每组电极包括至少一个中心电极、至少一个围绕中心电极设置的外围电极，中心电极凸出外围电极1.1-9.0mm的高度；所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；上述中心电极、外围电极均连接电容数字转换电路，检测该组中心电极、外围电极感应人体手指接近后的自电容和互电容；所述电容数字转换电路与所述控制模块连接，所述控制模块依据人体手指指向所述中心电极上部的有效悬停触发区域范围及在此范围内的驻留时间输出该按钮的触发逻辑信号。控制模块可以采用MCU，随着电子技术的不断发展，都出现了电容数字转换电路CDC与控制模块MCU合二为一的芯片，如CYPRESS的PSoC4100SPlus系列等但其功能组成如故。有了这个单元，悬停触发按钮的核心基础已经成就，至于按钮结构涉及的外壳等，可以参考现有技术。同时，在上述的传感器单元基础上，本技术的按钮触发方法是通过电容传感器检测和计算人体手指进入某个中心电极上部有效悬停触发区域，通过声光反馈控制电路提供人体手指进入所述有效悬停触发区域的预触发响应；如果人体手指进入比有效悬停触发区域更接近中心电极的快速触发区域，则直接输出人体手指所指按钮的触发逻辑信号并且同时声光反馈控制电路给予触发状态响应；否则，持续检测人体手指是否停留在所述有效悬停触发区域，如果是并且超过设定的悬停时间，输出人体手指所指按钮的触发信号并且同时声光反馈控制电路给予触发状态响应；如果在设定的悬停时间内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬停按钮传感器单元，包括：电源电路，电容传感器，电容数字转换电路，控制模块，声光反馈控制电路，通讯电路；其特征在于，所述电容传感器由一组或者多组电极构成，每组电极包括至少一个中心电极、至少一个围绕中心电极设置的外围电极，中心电极凸出外围电极1.1-9.0mm的高度；/n所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；/n上述中心电极、外围电极均连接电容数字转换电路，检测该组中心电极、外围电极感应人体手指接近后的自电容和互电容；/n所述电容数字转换电路与所述控制模块连接，所述控制模块依据人体手指指向所述中心电极上部的有效悬停触发区域范围及在此范围内的驻留时间输出该按钮的触发逻辑信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种悬停按钮传感器单元，包括：电源电路，电容传感器，电容数字转换电路，控制模块，声光反馈控制电路，通讯电路；其特征在于，所述电容传感器由一组或者多组电极构成，每组电极包括至少一个中心电极、至少一个围绕中心电极设置的外围电极，中心电极凸出外围电极1.1-9.0mm的高度；
所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；
上述中心电极、外围电极均连接电容数字转换电路，检测该组中心电极、外围电极感应人体手指接近后的自电容和互电容；
所述电容数字转换电路与所述控制模块连接，所述控制模块依据人体手指指向所述中心电极上部的有效悬停触发区域范围及在此范围内的驻留时间输出该按钮的触发逻辑信号。


2.根据权利要求1所述的悬停按钮传感器单元，其特征在于上述的控制模块连接声光反馈控制电路，所述声光反馈控制电路呈现无触发、预触发和触发三个状态。


3.根据权利要求1所述的悬停按钮传感器单元，其特征在于外围电极的背后有主动屏蔽电极。


4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙滕谌，张大华，庄玮，
申请(专利权)人：北京他山科技有限公司，
类型：新型
国别省市：北京;11