一種新型人手接近感應(yīng)裝置設(shè)計*

任志敏

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著新冠疫情的爆發(fā)，各種洗手液、消毒液成為了日常生活的必備物資。傳統(tǒng)的洗手液等裝置一般由瓶體和泵頭組成，通過用力按壓泵頭達(dá)到出液的效果[1]。由于新冠病毒傳播的屬性，各類人員頻繁按壓泵頭有可能增加病毒傳播的機(jī)會。所以設(shè)計一款可以自動出液的洗手液對于阻絕新冠病毒的傳播具有積極意義。本文結(jié)合傳統(tǒng)人體感應(yīng)技術(shù)，通過兩種監(jiān)測方式，使得人體感應(yīng)裝置更加精準(zhǔn)化，智能化。

1 方案分析與設(shè)計

如何感應(yīng)人手的靠近，是實現(xiàn)無接觸噴液的關(guān)鍵一步。目前主流的感應(yīng)技術(shù)是紅外感應(yīng)。紅外感應(yīng)主要是利用人體或動物發(fā)出的紅外線熱釋電效應(yīng)檢測人體的靠近；主要應(yīng)用于日常生活中樓道感應(yīng)燈等領(lǐng)域，一旦人體靠近，通過紅外感應(yīng)傳感器觸發(fā)相應(yīng)操作。該方案優(yōu)點(diǎn)是簡單，成熟，缺點(diǎn)是魯棒性不強(qiáng)，精準(zhǔn)度不夠[2]。

為了保證精確感應(yīng)，避免出現(xiàn)誤判，本文設(shè)計了兩套感應(yīng)裝置，一是超聲波測距模塊感知雙手逐漸靠近；二是接近監(jiān)測傳感器感知雙手在10 cm以內(nèi)的距離。在以上兩種感知器件的精確感應(yīng)下，保證精準(zhǔn)感知。

1.1 超聲波

超聲波模塊是由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器與控制電路組成的傳感器模塊，其主要工作原理是通過收發(fā)高頻超聲波實現(xiàn)測距。傳感器通過測量超聲波脈沖發(fā)送和接收之間的時間間隔來確定到目標(biāo)的距離。

由于聲波在空氣中傳播的速度是已知的340 m/s，因此只要采集從超聲波發(fā)射到接收的時間，即可算出超聲波模塊到障礙物的距離。

1.2 接近監(jiān)測傳感器

接近監(jiān)測傳感器的工作過程主要由三個步驟完成：

1) 電流驅(qū)動內(nèi)部的紅外LED發(fā)射。

2) 碰到障礙物反射。

3) 二極管通道CH1吸收發(fā)射的紅外LED的能量，據(jù)此測量出到障礙物的距離。

除了接近監(jiān)測以外，通常該類傳感器還兼具環(huán)境光檢測的功能，其原理如圖1所示。

圖1 接近監(jiān)測原理說明圖

微控制采用STM32F407ZET6(以下簡稱STM32)，輸入捕獲通道連接超聲波測距模塊，I2C接口連接接近監(jiān)測傳感器模塊。

2 硬件設(shè)計

2.1 超聲波測距模塊硬件設(shè)計

新型人體感應(yīng)裝置采用超聲波測距自動感應(yīng)人手的靠近。超聲波模塊是由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器與控制電路組成的傳感器模塊，其主要工作原理是通過收發(fā)高頻超聲波實現(xiàn)測距。傳感器通過測量超聲波脈沖發(fā)送和接收之間的時間間隔來確定到目標(biāo)的距離[3]。其原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波測距模塊原理圖

從圖2中可以看出，超聲波模塊從硬件上看由控制單元、超聲波發(fā)射單元和接收單元三個部分組成。圖2中控制單元的微控制器采用意法半導(dǎo)體公司的STM8L051為主控芯片，提供了兩種接口實現(xiàn)測距，一種接口是通用輸入輸出口，另一種是I2C兩線接口。通用輸入輸出口TRIG作為輸入端接收開啟測距信號，ECHO引腳作為輸出端返回測距高電平信號。I2C接口通過外接主機(jī)發(fā)送測距命令啟動測距，外接主機(jī)接收測距數(shù)據(jù)。

2.2 接近監(jiān)測傳感器模塊硬件設(shè)計

APDS-9930是一款提供了數(shù)字環(huán)境光感測(digital ambient light sensing ALS)、紅外LED和接近監(jiān)測功能的傳感器。一方面能感測周圍環(huán)境的亮度，另一方面能基于紅外測距原理感知物體的靠近。無論是在明亮的陽光照射下，還是到黑暗的房間，APDS-9930都能進(jìn)行100 mm距離物體的接近監(jiān)測，表現(xiàn)出運(yùn)行良好的即插即用監(jiān)測功能，很好地滿足了次組件和終端設(shè)備廠商的業(yè)務(wù)需求。APDS-9930的光學(xué)透鏡提供紅外能量的高效率傳送和接收，降低了器件工作的功耗。APDS-9930的主要特點(diǎn)包括環(huán)境光感測高達(dá)16位的分辨率；近似人眼的視覺反應(yīng)；0.01 lux的低流明性能；高達(dá)400 kHz的I2C兼容接口；帶有上限和下限閾值的可編程中斷功能；專用中斷引腳等[4]。APDS-9930廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦等領(lǐng)域，旨在解決根據(jù)環(huán)境光照射強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)屏幕背光以及接聽電話自動鎖屏等功能。本文主要使用APDS-9930的短距離接近檢測功能。

APDS-9930一共8個引腳，I2C數(shù)據(jù)引腳和時鐘引腳用于配置和讀取其內(nèi)部寄存器，R2，R3兩個10 k電阻作為上拉電阻；一個中斷引腳INT根據(jù)用戶設(shè)置的環(huán)境光強(qiáng)度和接近距離閾值觸發(fā)中斷，中斷引腳同樣通過10 k電阻上拉，下降沿標(biāo)志中斷產(chǎn)生；LEDA和LEDK分別是其內(nèi)部紅外發(fā)光二極管的正極和負(fù)極，LDR作為驅(qū)動用于接近發(fā)送的二極管，通常直接連接LEDK腳。APDS-9930的典型供電電壓是3.0 V，模塊原理圖設(shè)計了一個穩(wěn)壓芯片PAM3101，模塊原理圖如圖3所示。

圖3 APDS-9930接近監(jiān)測傳感器模塊原理圖

3 軟件設(shè)計

3.1 STM32輸入捕獲測距程序設(shè)計

由于聲波在空氣中傳播的速度是已知的340 m/s，因此只要采集從超聲波發(fā)射到接收的時間，即可算出超聲波模塊到障礙物的距離[5]。

超聲波模塊的Trigger引腳上給至少10 μs的高電平信號觸發(fā)測距，接著模塊在超聲波發(fā)射管發(fā)射8個40 kHz的方波脈沖，這種8脈沖的模式是獨(dú)一無二的，以區(qū)別周圍的噪聲。Echo引腳拉高，作為返回波信號的起始點(diǎn)，如果這些脈沖沒有被反射回來，那么Echo引腳將在44 ms之后超時并返回低電平，表示在44 ms時間內(nèi)超聲波沒有碰到障礙物。如果這些脈沖被反射回來，那么信號一被接收，Echo引腳就會由高電平變低電平。這將產(chǎn)生一個寬度在150 μs～25 ms之間的脈沖，取決于接收信號所花的時間。接收脈沖的寬度可被用來計算超聲波模塊到障礙物的距離，如圖4所示。距離Distance=(高電平的時間×聲速)/2。

圖4 超聲波測距時序圖

使用STM32的定時器5的輸入捕獲功能獲取Echo引腳高電平的時間[6]，高電平輸入獲取的過程如圖5所示。

圖5 輸入捕獲測量高電平脈沖原理

圖5中定時器溢出值為自動裝載值A(chǔ)utoReloadPreload(ARR)，CCRx為比較值，CNT為定時器計數(shù)值。根據(jù)Echo引腳的時序圖，t1～t2為需要測量的高電平時間，首先設(shè)置定時器為上升沿捕獲，在t1時刻，即捕獲到定時器當(dāng)時的計數(shù)值CNT，并立即清零CNT值同時設(shè)置定時器為下降沿捕獲，在t2時刻，又會發(fā)生捕獲事件，再次得到當(dāng)前的計數(shù)值CNT，記為CCRx2，根據(jù)定時器的計數(shù)頻率和周期，就可以計算t1～t2的時間，從而得到高電平脈沖的時間。在t1～t2時間內(nèi)，捕獲高電平的時間可能是圖5(a)的情況，也可能是圖5(b)的情況。

圖5(a)中定時器在一次計數(shù)沒有溢出，即t1～t2的高電平時間小于一次定時器溢出，所以定時計數(shù)CNT=CCRx2-0。圖5(b)中定時器2次溢出，因此t1～t2高電平時間的計數(shù)值為2×ARR+CCRx2。有了CNT計數(shù)，再乘以定時器的計數(shù)周期，即可得到t2-t1的高電平時間長度。

3.2 APDS-9930接近監(jiān)測傳感器程序設(shè)計

STM32和APDS-9930采用兩線I2C接口進(jìn)行寄存器配置，數(shù)據(jù)讀寫等操作。一旦超過設(shè)定的距離閾值，APDS9930通過及時產(chǎn)生中斷告知STM32距離接近。為了保證APDS-9930可靠工作，首先需要配置其相關(guān)寄存器[7]，配置APDS-9930步驟如下：

Step1:讀取0x12號寄存器是否為0x39，若是表示APDS-9930掛在總線上，否則提示未找到APDS-9930。

Step2:先配置0x00號寄存器的第0～6位，暫時禁用所有的功能和中斷，包括禁用環(huán)境光感測、接近檢測，禁用接近中斷等。

Step3:配置14個環(huán)境光感測和接近監(jiān)測寄存器。

1) 0x01環(huán)境光感測寄存器。該寄存器控制通道Ch0和Ch1在ADC時的積分時間，以2.72 ms為單位增量。配置為0xff即為最小積分時間2.72 ms，配置為0xf6時的積分時間為27.2 ms，配置為0x00時的積分時間為696.32 ms。本文配置為0xED，積分時間為35.36 ms。

2) 0x02接近時間控制寄存器。該寄存器控制接近檢測ADC的積分轉(zhuǎn)化時間，以2.72 ms為一個增量單位，決定了ADC輸出的最大Count值。如果增加ADC積分轉(zhuǎn)化時間，在有效量程的基礎(chǔ)上分辨率會有所提高，但是會犧牲測量距離的精度。該寄存器設(shè)置值為0xff，表示接近檢測ADC積分時間為2.72 ms，對應(yīng)的ADC輸出的Max Count為1023。

3) 0x03為等待時間寄存器。本文設(shè)置為0xff，等待時間為2.73 ms。

4) 0x0E為接近監(jiān)測脈沖計數(shù)寄存器。該寄存器設(shè)置將被傳輸?shù)慕咏}沖的數(shù)目。當(dāng)接近檢測啟用后，每個ALS周期后都有一個接近檢測周期。寄存器值定義了傳輸以62.5 kHz為頻率的脈沖個數(shù)。本文設(shè)置為8。

5) 0x1E為接近檢測偏移寄存器。該寄存器主要用于補(bǔ)償因器件變化、光學(xué)干擾、以及其他環(huán)境因素等原因造成的偏差值，其最高位第7位為0表示負(fù)補(bǔ)償，最高位為1表示正補(bǔ)償。本文設(shè)置為0。

6) 0x0D為配置寄存器。該寄存器用于設(shè)置接近檢測LED的驅(qū)動水平、長等待時間和光環(huán)境感測增益。本文設(shè)置為0。

7) 0x0F為控制寄存器。該寄存器用于設(shè)置LED驅(qū)動強(qiáng)度，接近檢測二極管選擇，接近檢測增益控制和環(huán)境光感測增益控制。設(shè)置值為0x2C，LED驅(qū)動電流為最大100 mA，此參數(shù)一共四擋，最小為12.5 mA，驅(qū)動電流設(shè)置越小，有效量程的起點(diǎn)和終點(diǎn)都會明顯縮短，量程也會降低。接近檢測增益控制為8x，選擇通道1二極管，環(huán)境光感測增益為1x。

8) 0x08～0x0B為接近監(jiān)測觸發(fā)中斷閾值寄存器。設(shè)置下限閾值為0，上限閾值為50。

9) 0x04～0x07為環(huán)境光感測觸發(fā)中斷閾值寄存器。設(shè)置下限閾值為0，上限閾值為0xFFFF。

10) 0x0C為控制中斷頻次寄存器。第7～4位設(shè)置連續(xù)多少次接近檢測超過閾值才產(chǎn)生中斷。第3～0位設(shè)置連續(xù)多少次環(huán)境光感測超過閾值才產(chǎn)生中斷。

STM32的PE2連接APDS-9930的中斷輸出引腳，設(shè)置為下降沿觸發(fā)外部中斷，人手接近APDS-9930，超過設(shè)定閾值，即產(chǎn)生中斷，通過設(shè)定的接近標(biāo)識位proxflag置位操作通知主流程循環(huán)觸發(fā)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動。中斷發(fā)生時，通過串口監(jiān)控工具獲取的接近數(shù)值如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文針對實際應(yīng)用需求，研究并設(shè)計了用于感應(yīng)人手靠近的超聲波測距模塊和接近監(jiān)測模塊APDS9930，通過程序驗證，利用超聲波模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)端測距，采用接近監(jiān)測模塊實現(xiàn)近端測距，比起傳統(tǒng)的紅外感應(yīng)更可靠，更精準(zhǔn)。

圖6 接近監(jiān)測傳感器測試數(shù)值圖