利用红外线传感器实现接近感应应用

2010-04-10 10:22:47来源: 互联网

  在消费电子产品中,接近感应作为一种探测用户身体或手部存在的方法,越来越为人们所接受。该技术也能够用于动作感应,如检测用户手势。用户手势作为一种输入,可以应用于许多设备,如手机、计算机和其他家用电子产品。

  要理解动作感应系统设计的理论基础,需要了解红外线(IR)与可见光的差异,探讨接近和动作感应系统如何在单一LED 下运行,以及动作感应在使用多个LED 进行多接近测量时如何工作。

  当我们谈及“光”时,通常指的是来自太阳或灯具的可见光,然而,可见光仅占光谱范围中的一小部分。我们把可见光定义为人眼可以识别的所有光线,通常人眼可以识别的光线波长为380-750nm。那么,人眼无法识别的非可见光(如波长为850 nm 光)又如何呢?

  IR 辐射光的波长为750nm-1000μm,IR 光与可见光有着相同的特性,例如反射率,而且它可以通过特殊灯泡或发光二极管生成。因为人眼无法看到IR 光,所以我们可以用它来完成一些特殊的人机界面任务,例如接近检测,而无需用户与系统进行任何直接接触。

  IR 接近传感系统能够检测附近物体的存在,并根据检测结果做出反应。IR 接近检测的应用无处不在。 例如,手机可以使用接近传感技术检测通话时手机是否接近面部。当你把手机靠近耳边时,手机将检测 到头的存在,从而自动关闭屏幕以节省电能。其他接近感应系统的例子包括皂液器和饮水机,你可以把 手放在传感器附近(通常在皂液管或水龙头附近),以“非接触”而又卫生的方式获取皂液或水。

  在高端 汽车上,外部防碰撞系统也使用接近检测,当汽车与其他汽车或者物体太靠近时,接近检测会提醒司机 注意。有些车辆还可以使用车内接近感应系统检测乘客的存在,从而调整安全装置(如安全气囊)。 接近检测通过专门设计的IR LED 实现。与IR LED 相对应的是光电二极管,它一般用来检测LED 发出 的IR 光。当IR LED 和光电二极管同方向放置时,光电二极管将不会检测到任何IR 光,除非有物体在 LED 的前面,将光反射回光电二极管。反射回光电二极管的光强与物体到光电二极管的距离逆向相 关。

一维空间动作检测

图 1:一维空间动作检测

  单一 LED 和光电二极管相结合可以检测一些动作,例如可以检测物体是否靠近或远离光电二极管,这 仅仅是一维空间检测。假设一个系统,其布局如图1 所示,单一LED 系统仅使用LED1 与IR 传感器。 图2 是三个手势动作过程中Silicon Labs Si1120 传感器感应IR LED 后的输出值,其中Y 轴是反射的 IR 光强,X 轴是时间。三个手势包括沿图1 X 轴从左到右的滑动,沿Y 轴从底部到顶部的滑动,以及 沿Z 轴由远及近,然后由近及远的往复动作。图2 表明,单一LED 系统不能区分这些手势,使用单一 LED,系统只能检测到物体正在接近或远离传感器,而不能判别其方向。

图 2:单一LED 系统性能分析

  二维空间检测由位于不同位置的两个LED 和单个光电二极管组成。从LED1 得到一个测量值,然后快 速从LED2 获得另一个测量值,两个测量值被用于计算二维空间上的物体位置。其中一维空间是接近 LED1(左)或接近LED2(右),而另一维空间是接近或远离光电二极管。图3 是与图2 相同的三个 手势,其中白线代表从LED1 中读出的数据,红线代表从LED2 读出的数据。从左到右滑动过程中,白 线上升,然后是红线。当手从左到右滑动时,LED1 反射IR 光到传感器,然后是LED2。

二维空间中手势性能分析

图 3:二维空间中手势性能分析

  三维空间动作检测由三个LED 和单个光电二极管组成。LED3 与LED1、LED2 不在同一直线上,如图 1 所示,可以把LED1 和LED2 之间的连线看作X 轴,LED1 和LED3 之间的连线看作Y 轴,从光电二 极管和LED 到被测物体之间的连线看作Z 轴。图4 显示了与图2 和图3 相同的测量过程,其中蓝线代 表LED3 的测量数据。当手从左向右滑动时,因为手在LED1 和LED3 上同时通过,LED1 和LED3 数 据线同时上升,然后是LED2 数据线。当手从底部向顶部滑动时,因为手先遇到来自LED3 的IR 光, LED3 数据线上升,然后是LED1 和LED2。当往复动作时,因为手在整个过程中都反射等量的LED 光,三个LED 测量值是相同的。

图 4:加入LED3 后,三维空间中动作性能分析

   当 IR LED 和IR 传感器应用于产品时,这些组件通常不会用作装饰目的而放在外面,终端产品至少需 要一个开口或透明窗口,让IR 光透过。

  IR LED 从窗口中照射出,被外部物体反射后,通过窗口进入Si1120 传感器。单一窗口配置的主要缺点 是:窗口将导致一些光线被内反射到Si1120,即使在检测范围内没有外部物体时,大量反射光也可能 导致传感器输出。

  双窗口设计使用其中一个窗口用于IR LED,另一个窗口用于传感器。通过在LED 和传感器之间进行适 当的隔离,设计消除了内部反射的问题,为系统提供更好的敏感性和检测范围。

  对于 IR 接近感应系统设计而言,选择何种IR LED 是一项非常重要的决定。IR LED 视角对最大检测距 离和范围有很大影响。从LED 射出的IR 光形成一个圆锥状,圆锥顶角(大多数LED 能量从这里输 出)被称为LED 视角。

图 5:窄视角和宽视角IR LED 的差异

  所有的 LED 都有一个特定的视角,一个窄视角LED 意味着发出的能量更加集中,比宽视角LED 照射 的更远。这意味着使用窄视角IR LED 将在窄检测区域中形成更远的检测范围,图5 说明了窄视角和宽 视角IR LED 的差异。

  当设计 IR 系统时,系统中被测物体的特点也是需要重点考虑的。除了用于检测手势,IR 接近感应系统 也能被用于检测无生命物体,如车库门(打开或关闭)。检测较大物体时,由于有更多的IR 光被反 射,检测距离将更远。物体的颜色是另一个需要考虑的因素,因为IR 光与可见光有相同特性,浅色物 体比深色物体反射更多光线。物体的颜色越深,越要接近IR 系统,因为仅有来自IR LED 的少量IR 光 被反射到IR 传感器。

  在消费电子、工业和汽车领域应用中,许多电子系统从非接触式反射中受益。IR 接近感应为需要检测 物体存在的系统提供了一个最佳方法。接近感应也可用于检测最多三维空间内的动作,甚至是手势,使 得下一代电子产品的人机界面更先进、更直观。

关键字:红外传感器  接近传感器  应用

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0410/article_2169.html
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