基于紅外脈沖的非接觸式接近傳感器應用研究

王灝 朱潔樂 程艷

廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528000

1 引言

智慧生活已經(jīng)成為現(xiàn)代人追逐的理想生活方式，而智能家電則是其中不可或缺的重要組成部分。約從2017年開始，智能化浪潮迅速席卷家電行業(yè)，許多傳統(tǒng)家電企業(yè)為搶占市場先機也開始緊跟時代步伐，積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局。通過近三年的迅猛發(fā)展，無論大家電還是小家電，均加入了不同應用場景的智能元素。

在眾多的智能化應用場景中，非接觸式傳感技術(shù)的應用越來越廣泛。現(xiàn)有非接觸接近傳感器有電磁式、超聲波式、電容式、光學式等[1]，電磁式是通過電流流經(jīng)線圈時產(chǎn)生的磁場變化感應金屬物體[2]；超聲波式則通過聲波的反射判斷障礙物的接近情況[3]；電容式通過檢測物體靠近時兩片電容電極間電場變化檢測物體接近[4]；光學式包含接收器和發(fā)射器，發(fā)射器發(fā)出的光線遇到障礙物返回到接收器中，從而判斷障礙物的接近[5]。在接近感應基礎(chǔ)上延伸的非接觸式手勢識別技術(shù)，可以實現(xiàn)更復雜、更多維度的控制方法[6]。以上傳感器在其各自應用領(lǐng)域均能實現(xiàn)不錯的效果，但是將非接觸控制應用于蒸烤箱需考慮產(chǎn)品外觀、感應距離調(diào)節(jié)簡便、抗干擾能力強等因素，綜合以上應用條件，選用基于紅外脈沖的非接觸式接近傳感器作為研究對象。

將基于紅外脈沖的非接觸式接近傳感器應用于蒸烤箱，在傳統(tǒng)人機交互的基礎(chǔ)上加入智能控制元素，通過該傳感器可以通過感知用戶的位置實現(xiàn)顯示屏和照明的智能控制，以達到人機非接觸交互的目的。通過研究發(fā)現(xiàn)，該傳感器在蒸烤產(chǎn)品的運行環(huán)境下抗干擾能力強、識別率高，并且以打破傳統(tǒng)的創(chuàng)新控制方式提升用戶體驗和實用性。

2 工作原理

如圖1所示為傳感器工作原理圖，其由三部分組成：傳感器、主控系統(tǒng)以及負載，傳感器又包括接收器和IR LED（發(fā)射器），IR LED發(fā)射紅外脈沖，經(jīng)過障礙物反射后進入到接收器，傳感器將接收到的紅外脈沖轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過IIC通訊將該數(shù)字信號傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)，再由主控系統(tǒng)根據(jù)交互規(guī)則控制后端的負載，以實現(xiàn)接近感應的功能。

圖1 非接觸式接近傳感工作原理圖

3 電路設計

如圖2所示，該傳感器電路圖共包括四個部分：紅外發(fā)射與接收、通訊接口、IR LED供電電路、接收器供電電路。由于接收器和IR LED工作電壓為3.3 V，因此需要LDO將主控系統(tǒng)輸入的5 V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V。由于IR LED存在脈沖尖峰，為防止對接收器產(chǎn)生影響，分別給接收器和IR LED供電。紅外發(fā)射與接收部分的Double N-MOSFET作用為電平轉(zhuǎn)換。

傳感器所使用的接收器和IR LED分別為LITE-ON公司的LTR-507ALS-01和LTE-C249，其中接收器工作電壓為2.4 V～3.6 V，工作環(huán)境溫度范圍為-40℃～85℃。IR LED最大功耗為190 mW，持續(xù)電流100 mA，反向電壓為5 V，工作環(huán)境溫度范圍為-40℃～85℃；其他參數(shù)見表1。

表1 傳感器參數(shù)表

圖2 傳感器控制電路原理圖

4 試驗結(jié)果分析

紅外脈沖非接觸式接近傳感器在應用過程中，會受到許多外界干擾因素，以下就照度、透射油墨、障礙物顏色以及感應區(qū)域和成功率等四個強相關(guān)因素分別進行研究。

4.1 照度影響

由于該傳感器是以紅外脈沖作為媒介進行距離感知，因此不同照度的環(huán)境光成為潛在影響該傳感器性能的主要因素之一。通過燈箱模擬1566 lx、1420 lx、1130 lx、740 lx四種不同照度的環(huán)境光，以及在昏暗環(huán)境下30 lx環(huán)境光。在傳感器放置位置及障礙物相同的條件下，不同照度下傳感器反饋AD平均值依次是475.9、477.9、475.8、461.1、476.2，如圖3所示在不同照度下傳感器反饋AD值曲線，說明照度的強弱對傳感器性能無明顯影響。

圖3 不同照度下傳感器反饋AD值

4.2 油墨影響

在傳感器產(chǎn)品化過程中，需要將傳感器安裝在觸摸玻璃面板背面，傳感器透過玻璃面板實現(xiàn)接近感應檢測，為了不影響產(chǎn)品整體外觀，需要在傳感器透射區(qū)域的玻璃面板上覆蓋油墨，選取普通半透黑油墨及專業(yè)紅外透光油墨進行對比測試，將障礙物放置在距離傳感器30 cm、40 cm、50 cm的位置。如圖4所示，在不同距離下，使用普通油墨的傳感器反饋AD值平均值依次為72.6、68.2、75.7，無法識別不同距離的障礙物。由圖5可知，使用紅外透光油墨的傳感器反饋AD值平均值依次為465.9、334.4、234.7，隨著障礙物的遠離，反饋AD值隨之變小。

圖4 普通油墨在障礙物不同距離下的傳感器反饋AD值

圖5 紅外透光油墨在障礙物不同距離下的傳感器反饋AD值

4.3 障礙物顏色影響

選取黑、白、灰三種顏色A4紙大小障礙物進行測試，傳感器分別距離障礙物10 cm至100 cm，測試結(jié)果如圖6所示，得到以下結(jié)論：（1）在障礙物距離相同下，反饋信號強度由強到弱依次為白、灰、黑；（2）在障礙物距離為0～5 cm區(qū)間內(nèi)，不同色卡反饋強度相同，均為2047；（3）隨著障礙物的遠離，反饋AD值均變小；（4）當距離約大于50 cm時，不同色卡的反饋值隨著距離的增大漸漸重合，即傳感器已經(jīng)失去對距離的分辨能力。

圖6 不同障礙物顏色與傳感器反饋AD值關(guān)系

4.4 感應區(qū)域及成功率

該傳感器在實際應用場景中的感應區(qū)域和成功率直接影響用戶體驗，因此需要針對用戶的使用習慣對感應區(qū)域進行設計。通過對大量用戶在使用過程中的操作習慣研究發(fā)現(xiàn)，用戶在進行操作時身體距離產(chǎn)品一般在60 cm之內(nèi)，同時為消除用戶不同服飾顏色影響和防止誤觸發(fā)，將感應區(qū)域限制在如圖7所示的區(qū)域內(nèi)，以傳感器為中心，感應區(qū)域為±30°射線與傳感器60 cm距離所覆蓋區(qū)域。在實際應用場景中進行測試，從任意方向完全進入感應區(qū)域后，最終正面面向產(chǎn)品，觸發(fā)交互功能則表示感應成功。測試結(jié)果表明感應成功率接近100%，統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示，且在感應區(qū)域之外的位置不會誤觸發(fā)。

圖7 感應區(qū)域示意圖

圖8 感應結(jié)果統(tǒng)計

5 結(jié)論

本文將基于紅外脈沖的非接觸式接近傳感器應用于蒸烤箱，針對該傳感器的應用場景，結(jié)合其工作原理設計出電路原理圖，并對照度、透射油墨、障礙物顏色及感應區(qū)域等干擾因素的試驗分析，研究發(fā)現(xiàn)，普通光線對傳感器不會造成干擾；需匹配紅外透射油墨才能使傳感器正常工作；為消除用戶不同服飾顏色影響，同時滿足用戶操作習慣，將感應區(qū)域設計為以傳感器為中心的±30°射線與距離傳感器60 cm所覆蓋區(qū)域。

基于紅外脈沖的非接觸式接近傳感器能較好的適用于非接觸使用場景的產(chǎn)品，不僅具有較高的抗干擾性和較高的感應成功率，且在家電產(chǎn)品上具有廣闊的應用前景。