紅外線接近和運動感應系統如何在單一LED下運行

傳統的人機界面設計依靠機械式按鍵為用戶提供系統輸入功能，然而，隨著智能手機、便攜式游戲機、個人導航以及其他設備的日益普及，更有潛力的、更具吸引力的用戶界面方式開始被采用，這就是具備接近感應能力的觸摸屏。

觸摸屏是一類能夠檢測觸摸存在和位置的顯示設備，它們可以讓用戶通過設備屏幕直接與設備交互。今天，許多微控制器集成了相應的嵌入式電路，使其能夠用于觸摸屏控制。微控制器可用于設定門限，提供最小化誤觸發的噪聲消除，實現支持多種不同類型觸摸輸入的主機固件。

為了進一步改善人機界面的表現能力，設計師能夠為其添加接近傳感器。單一接近傳感器可用于檢測物體的存在與否，如手或者用戶身體。這種功能在許多應用中非常有用。例如，計算機顯示器能夠使用嵌入式接近檢測器感應用戶的存在，當檢測到用戶不在時，它可以關閉屏幕，以節省電力；當感應到用戶返回時，它又重新點亮屏幕。

另一種迅速流行的人機界面技術是運動檢測，這種運動感知能力是指系統有識別物體移動以便執行特定功能的能力。例如，手機應用程序可能會允許用戶通過晃動一下手機來進行文件翻頁。可以添加另一個接近傳感器到設計中，使得設備具有一維空間運動檢測的能力。通過定制固件，兩個接近傳感器與微處理器緊密配合，不僅能提供運動檢測能力，還能檢測出運動的方向。

要理解動作感應系統設計的理論基礎，需要了解紅外線（IR）與可見光的差異，探討接近和運動感應系統如何在單一LED下運行，以及系統在使用多個LED進行多接近測量時如何工作。

當我們談及“光”時，通常指的是來自太陽或燈具的可見光，然而，可見光僅占光譜范圍中的一小部分。我們把可見光定義為人眼可以識別的所有光線，通常人眼可以識別的光線波長為380～750nm。那么，人眼無法識別的非可見光（如波長為850nm光）又如何呢？

紅外（IR）輻射光的波長為750nm～0.1m。其與可見光有著相同的特性，如反射率，而且它可以通過特殊燈泡或發光二極管生成。因為人眼無法看到IR光，所以我們可以用它來完成一些特殊的人機界面任務，如接近檢測，這樣就無須用戶與系統進行任何直接接觸。

IR接近傳感系統能夠檢測附近物體的存在，并根據檢測結果做出反應，其應用無處不在。例如，手機可以使用接近傳感技術檢測通話時手機是否接近面部。當你把手機靠近耳邊時，手機將檢測到頭的存在，從而自動關閉屏幕以節省電能。其他接近感應系統的例子還包括皂液器和飲水機，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”而又衛生的方式獲取皂液或水。在高級汽車上，外部防碰撞系統也使用接近檢測，當汽車與其他汽車或者物體太靠近時，接近檢測會提醒司機注意。有些車輛還可以使用車內接近感應系統檢測乘客的存在，從而調整安全裝置（如安全氣囊）。

接近檢測通過專門設計的IRLED實現。與IRLED相對應的是光電二極管，它一般用來檢測LED發出的IR光。當IRLED和光電二極管同方向放置時，光電二極管將不會檢測到任何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與物體到光電二極管的距離成反比關系。

單一LED和光電二極管相結合可以檢測一些動作，例如，可以檢測物體是否靠近或遠離光電二極管，但這僅僅是一維空間檢測。假設一個系統，其布局如圖1所示，單一LED系統僅使用LED1與IR傳感器。現在，做三個不同方向的運動來進行檢測。三個方向的運動包括沿圖1X軸從左到右的滑動，沿Y軸從底部到頂部的滑動，以及垂直于圖1由遠及近，然后由近及遠的往復運動。

圖1空間動作檢測系統

圖2是三個動作過程中，SILICONLabsSi1120傳感器感應IRLED后的輸出值。其中，Y軸是反射的IR光強，X軸是時間。圖2表明，單一LED系統不能區分這些手勢，其只能檢測到物體正在接近或遠離傳感器，而不能判別方向。

圖2單一LED系統性能分析

二維空間檢測由位于不同位置的兩個LED和單個光電二極管組成。從LED1得到一個測量值，然后快速從LED2獲得另一個測量值，兩個測量值被用于計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離光電二極管。圖3是與圖2相同的三個方向運動檢測結果。其中，白線代表從LED1中讀出的數據，紅線代表從LED2讀出的數據。從左到右滑動過程中，白線上升，然后是紅線。當手從左到右滑動時，LED1反射IR光到傳感器，然后是LED2。

圖3二維空間中手勢性能分析

三維空間運動檢測由三個LED和單個光電二極管組成，LED3與LED1、LED2不在同一直線上，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相同的測量過程，其中，藍線代表LED3的測量數據。當手從左向右滑動時，因為手在LED1和LED3上同時通過，LED1和LED3數據線同時上升，然后是LED2數據線。當手從底部向頂部滑動時，因為手先遇到來自LED3的IR光，LED3數據線上升，然后是LED1和LED2。當往復運動時，因為手在整個過程中都反射等量的LED光，三個LED測量值是相同的。

圖4加入LED3后的三維空間中動作性能分析

當IRLED和IR傳感器應用于產品時，這些組件通常不會用作裝飾目的而放在外面，終端產品至少需要一個開口或透明窗口，讓IR光透過。

IRLED從窗口中照射出，被外部物體反射后，通過窗口進入Si1120傳感器。單一窗口配置的主要缺點是：窗口將導致一些光線被內反射到Si1120，即使在檢測范圍內沒有外部物體時，大量反射光也可能導致傳感器輸出。

雙窗口設計使用其中一個窗口用于IRLED，另一個窗口用于傳感器。通過在LED和傳感器之間進行適當的隔離，設計消除了內部反射的問題，為系統提供更好的敏感性和檢測范圍。

對于IR接近感應系統設計而言，選擇何種IRLED是一項非常重要的決定。IRLED視角對最大檢測距離和范圍有很大影響。從LED射出的IR光形成一個圓錐狀，圓錐頂角（大多數LED能量從這里輸出）被稱為LED視角。

所有的LED都有一個特定的視角，一個窄視角LED意味著發出的能量更加集中，比寬視角LED照射的更遠。這意味著使用窄視角IRLED將在窄檢測區域中形成更遠的檢測范圍，圖5說明了窄視角和寬視角IRLED的差異。

圖5窄視角和寬視角IRLED的差異

當設計IR系統時，系統中被測物體的特點也是需要重點考慮的。除了用于檢測手勢外，IR接近感應系統也能被用于檢測無生命物體，如車庫門（打開或關閉）。檢測較大物體時，由于有更多的IR光被反射，檢測距離將更遠。物體的顏色是另一個需要考慮的因素，因為IR光與可見光有相同特性，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，因為僅有來自IRLED的少量IR光被反射到IR傳感器。

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