利用紅外線傳感器實(shí)現(xiàn)接近感應(yīng)應(yīng)用

    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(IR)與可見(jiàn)光的差異，探討接近和動(dòng)作感應(yīng)系統(tǒng)如何在單一LED 下運(yùn)行，以及動(dòng)作感應(yīng)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，通常人眼可以識(shí)別的光線波長(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850 nm 光）又如何呢？

    IR 輻射光的波長(zhǎng)為750nm-1000μm，IR 光與可見(jiàn)光有著相同的特性，例如反射率，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)，例如接近檢測(cè)，而無(wú)需用戶與系統(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)。IR 接近檢測(cè)的應(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。

    在高端 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逆向相 關(guān)。

圖 1：一維空間動(dòng)作檢測(cè)

    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，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。 圖2 是三個(gè)手勢(shì)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。三個(gè)手勢(shì)包括沿圖1 X 軸從左到右的滑動(dòng)，沿Y 軸從底部到頂部的滑動(dòng)，以及 沿Z 軸由遠(yuǎn)及近，然后由近及遠(yuǎn)的往復(fù)動(dòng)作。圖2 表明，單一LED 系統(tǒng)不能區(qū)分這些手勢(shì)，使用單一 LED，系統(tǒng)只能檢測(cè)到物體正在接近或遠(yuǎn)離傳感器，而不能判別其方向。

圖 2：?jiǎn)我籐ED 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) 手勢(shì)，其中白線代表從LED1 中讀出的數(shù)據(jù)，紅線代表從LED2 讀出的數(shù)據(jù)。從左到右滑動(dòng)過(guò)程中，白 線上升，然后是紅線。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。[!--empirenews.page--]

圖 3：二維空間中手勢(shì)性能分析

     三維空間動(dòng)作檢測(cè)由三個(gè)LED 和單個(gè)光電二極管組成。LED3 與LED1、LED2 不在同一直線上，如圖 1 所示，可以把LED1 和LED2 之間的連線看作X 軸，LED1 和LED3 之間的連線看作Y 軸，從光電二 極管和LED 到被測(cè)物體之間的連線看作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)線同時(shí)上升，然后是LED2 數(shù)據(jù)線。當(dāng)手從底部向頂部滑動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭窒扔龅絹?lái)自LED3 的IR 光， LED3 數(shù)據(jù)線上升，然后是LED1 和LED2。當(dāng)往復(fù)動(dòng)作時(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，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）被稱為L(zhǎng)ED 視角。

圖 5：窄視角和寬視角IR LED 的差異

    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。

    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)，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。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。

    在消費(fèi)電子、工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用中，許多電子系統(tǒng)從非接觸式反射中受益。IR 接近感應(yīng)為需要檢測(cè) 物體存在的系統(tǒng)提供了一個(gè)最佳方法。接近感應(yīng)也可用于檢測(cè)最多三維空間內(nèi)的動(dòng)作，甚至是手勢(shì)，使 得下一代電子產(chǎn)品的人機(jī)界面更先進(jìn)、更直觀。