紅外線(xiàn)接近和運(yùn)動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)如何在單一LED下運(yùn)行

傳統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)依靠機(jī)械式按鍵為用戶(hù)提供系統(tǒng)輸入功能，然而，隨著智能手機(jī)、便攜式游戲機(jī)、個(gè)人導(dǎo)航以及其他設(shè)備的日益普及，更有潛力的、更具吸引力的用戶(hù)界面方式開(kāi)始被采用，這就是具備接近感應(yīng)能力的觸摸屏。

觸摸屏是一類(lèi)能夠檢測(cè)觸摸存在和位置的顯示設(shè)備，它們可以讓用戶(hù)通過(guò)設(shè)備屏幕直接與設(shè)備交互。今天，許多微控制器集成了相應(yīng)的嵌入式電路，使其能夠用于觸摸屏控制。微控制器可用于設(shè)定門(mén)限，提供最小化誤觸發(fā)的噪聲消除，實(shí)現(xiàn)支持多種不同類(lèi)型觸摸輸入的主機(jī)固件。

為了進(jìn)一步改善人機(jī)界面的表現(xiàn)能力，設(shè)計(jì)師能夠?yàn)槠涮砑咏咏?a target="_blank">傳感器。單一接近傳感器可用于檢測(cè)物體的存在與否，如手或者用戶(hù)身體。這種功能在許多應(yīng)用中非常有用。例如，計(jì)算機(jī)顯示器能夠使用嵌入式接近檢測(cè)器感應(yīng)用戶(hù)的存在，當(dāng)檢測(cè)到用戶(hù)不在時(shí)，它可以關(guān)閉屏幕，以節(jié)省電力；當(dāng)感應(yīng)到用戶(hù)返回時(shí)，它又重新點(diǎn)亮屏幕。

另一種迅速流行的人機(jī)界面技術(shù)是運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，這種運(yùn)動(dòng)感知能力是指系統(tǒng)有識(shí)別物體移動(dòng)以便執(zhí)行特定功能的能力。例如，手機(jī)應(yīng)用程序可能會(huì)允許用戶(hù)通過(guò)晃動(dòng)一下手機(jī)來(lái)進(jìn)行文件翻頁(yè)?？梢蕴砑恿硪粋€(gè)接近傳感器到設(shè)計(jì)中，使得設(shè)備具有一維空間運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的能力。通過(guò)定制固件，兩個(gè)接近傳感器與微處理器緊密配合，不僅能提供運(yùn)動(dòng)檢測(cè)能力，還能檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)的方向。

要理解動(dòng)作感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，需要了解紅外線(xiàn)（IR）與可見(jiàn)光的差異，探討接近和運(yùn)動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)如何在單一LED下運(yùn)行，以及系統(tǒng)在使用多個(gè)LED進(jìn)行多接近測(cè)量時(shí)如何工作。

當(dāng)我們談及“光”時(shí)，通常指的是來(lái)自太陽(yáng)或燈具的可見(jiàn)光，然而，可見(jiàn)光僅占光譜范圍中的一小部分。我們把可見(jiàn)光定義為人眼可以識(shí)別的所有光線(xiàn)，通常人眼可以識(shí)別的光線(xiàn)波長(zhǎng)為380～750nm。那么，人眼無(wú)法識(shí)別的非可見(jiàn)光（如波長(zhǎng)為850nm光）又如何呢？

紅外（IR）輻射光的波長(zhǎng)為750nm～0.1m。其與可見(jiàn)光有著相同的特性，如反射率，而且它可以通過(guò)特殊燈泡或發(fā)光二極管生成。因?yàn)槿搜蹮o(wú)法看到IR光，所以我們可以用它來(lái)完成一些特殊的人機(jī)界面任務(wù)，如接近檢測(cè)，這樣就無(wú)須用戶(hù)與系統(tǒng)進(jìn)行任何直接接觸。

IR接近傳感系統(tǒng)能夠檢測(cè)附近物體的存在，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果做出反應(yīng)，其應(yīng)用無(wú)處不在。例如，手機(jī)可以使用接近傳感技術(shù)檢測(cè)通話(huà)時(shí)手機(jī)是否接近面部。當(dāng)你把手機(jī)靠近耳邊時(shí)，手機(jī)將檢測(cè)到頭的存在，從而自動(dòng)關(guān)閉屏幕以節(jié)省電能。其他接近感應(yīng)系統(tǒng)的例子還包括皂液器和飲水機(jī)，你可以把手放在傳感器附近（通常在皂液管或水龍頭附近），以“非接觸”而又衛(wèi)生的方式獲取皂液或水。在高級(jí)汽車(chē)上，外部防碰撞系統(tǒng)也使用接近檢測(cè)，當(dāng)汽車(chē)與其他汽車(chē)或者物體太靠近時(shí)，接近檢測(cè)會(huì)提醒司機(jī)注意。有些車(chē)輛還可以使用車(chē)內(nèi)接近感應(yīng)系統(tǒng)檢測(cè)乘客的存在，從而調(diào)整安全裝置（如安全氣囊）。

接近檢測(cè)通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的IR LED實(shí)現(xiàn)。與IR LED相對(duì)應(yīng)的是光電二極管，它一般用來(lái)檢測(cè)LED發(fā)出的IR光。當(dāng)IR LED和光電二極管同方向放置時(shí)，光電二極管將不會(huì)檢測(cè)到任何IR光，除非有物體在LED的前面，將光反射回光電二極管。反射回光電二極管的光強(qiáng)與物體到光電二極管的距離成反比關(guān)系。

單一LED和光電二極管相結(jié)合可以檢測(cè)一些動(dòng)作，例如，可以檢測(cè)物體是否靠近或遠(yuǎn)離光電二極管，但這僅僅是一維空間檢測(cè)。假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)，其布局如圖1所示，單一LED系統(tǒng)僅使用LED1與IR傳感器?，F(xiàn)在，做三個(gè)不同方向的運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)包括沿圖1X軸從左到右的滑動(dòng)，沿Y軸從底部到頂部的滑動(dòng)，以及垂直于圖1由遠(yuǎn)及近，然后由近及遠(yuǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 空間動(dòng)作檢測(cè)系統(tǒng)

圖2是三個(gè)動(dòng)作過(guò)程中，SILICON Labs Si1120傳感器感應(yīng)IR LED后的輸出值。其中，Y軸是反射的IR光強(qiáng)，X軸是時(shí)間。圖2表明，單一LED系統(tǒng)不能區(qū)分這些手勢(shì)，其只能檢測(cè)到物體正在接近或遠(yuǎn)離傳感器，而不能判別方向。

圖2 單一LED系統(tǒng)性能分析

二維空間檢測(cè)由位于不同位置的兩個(gè)LED和單個(gè)光電二極管組成。從LED1得到一個(gè)測(cè)量值，然后快速?gòu)腖ED2獲得另一個(gè)測(cè)量值，兩個(gè)測(cè)量值被用于計(jì)算二維空間上的物體位置。其中，一維空間是接近LED1（左）或接近LED2（右），而另一維空間是接近或遠(yuǎn)離光電二極管。圖3是與圖2相同的三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果。其中，白線(xiàn)代表從LED1中讀出的數(shù)據(jù)，紅線(xiàn)代表從LED2讀出的數(shù)據(jù)。從左到右滑動(dòng)過(guò)程中，白線(xiàn)上升，然后是紅線(xiàn)。當(dāng)手從左到右滑動(dòng)時(shí)，LED1反射IR光到傳感器，然后是LED2。

圖3 二維空間中手勢(shì)性能分析

三維空間運(yùn)動(dòng)檢測(cè)由三個(gè)LED和單個(gè)光電二極管組成，LED3與LED1、LED2不在同一直線(xiàn)上，可以把LED1和LED2之間的連線(xiàn)看作X 軸，LED1和LED3之間的連線(xiàn)看作Y軸，從光電二極管和LED到被測(cè)物體之間的連線(xiàn)看作Z軸。圖4顯示了與圖2和圖3相同的測(cè)量過(guò)程，其中，藍(lán)線(xiàn)代表 LED3的測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)手從左向右滑動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭衷贚ED1和LED3上同時(shí)通過(guò)，LED1和LED3數(shù)據(jù)線(xiàn)同時(shí)上升，然后是LED2數(shù)據(jù)線(xiàn)。當(dāng)手從底部向頂部滑動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭窒扔龅絹?lái)自L(fǎng)ED3的IR光，LED3數(shù)據(jù)線(xiàn)上升，然后是LED1和LED2。當(dāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭衷谡麄€(gè)過(guò)程中都反射等量的LED 光，三個(gè)LED測(cè)量值是相同的。

圖4 加入LED3后的三維空間中動(dòng)作性能分析

當(dāng)IR LED和IR傳感器應(yīng)用于產(chǎn)品時(shí)，這些組件通常不會(huì)用作裝飾目的而放在外面，終端產(chǎn)品至少需要一個(gè)開(kāi)口或透明窗口，讓IR光透過(guò)。

IR LED從窗口中照射出，被外部物體反射后，通過(guò)窗口進(jìn)入Si1120傳感器。單一窗口配置的主要缺點(diǎn)是：窗口將導(dǎo)致一些光線(xiàn)被內(nèi)反射到Si1120，即使在檢測(cè)范圍內(nèi)沒(méi)有外部物體時(shí)，大量反射光也可能導(dǎo)致傳感器輸出。

雙窗口設(shè)計(jì)使用其中一個(gè)窗口用于IR LED，另一個(gè)窗口用于傳感器。通過(guò)在LED和傳感器之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x，設(shè)計(jì)消除了內(nèi)部反射的問(wèn)題，為系統(tǒng)提供更好的敏感性和檢測(cè)范圍。

對(duì)于IR接近感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，選擇何種IR LED是一項(xiàng)非常重要的決定。IR LED視角對(duì)最大檢測(cè)距離和范圍有很大影響。從LED射出的IR光形成一個(gè)圓錐狀，圓錐頂角（大多數(shù)LED能量從這里輸出）被稱(chēng)為L(zhǎng)ED視角。

所有的LED都有一個(gè)特定的視角，一個(gè)窄視角LED意味著發(fā)出的能量更加集中，比寬視角LED照射的更遠(yuǎn)。這意味著使用窄視角IR LED將在窄檢測(cè)區(qū)域中形成更遠(yuǎn)的檢測(cè)范圍，圖5說(shuō)明了窄視角和寬視角IR LED的差異。

圖5 窄視角和寬視角IR LED的差異

當(dāng)設(shè)計(jì)IR系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中被測(cè)物體的特點(diǎn)也是需要重點(diǎn)考慮的。除了用于檢測(cè)手勢(shì)外，IR接近感應(yīng)系統(tǒng)也能被用于檢測(cè)無(wú)生命物體，如車(chē)庫(kù)門(mén)（打開(kāi)或關(guān)閉）。檢測(cè)較大物體時(shí)，由于有更多的IR光被反射，檢測(cè)距離將更遠(yuǎn)。物體的顏色是另一個(gè)需要考慮的因素，因?yàn)镮R光與可見(jiàn)光有相同特性，淺色物體比深色物體反射更多光線(xiàn)。物體的顏色越深，越要接近IR系統(tǒng)，因?yàn)閮H有來(lái)自IR LED的少量IR光被反射到IR傳感器。

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