红外线接近和运动感应系统如何在单一LED下运行

传统的人机界面设计依靠机械式按键为用户提供系统输入功能，然而，随着智能手机、便携式游戏机、个人导航以及其他设备的日益普及，更有潜力的、更具吸引力的用户界面方式开始被采用，这就是具备接近感应能力的触摸屏。

触摸屏是一类能够检测触摸存在和位置的显示设备，它们可以让用户通过设备屏幕直接与设备交互。今天，许多微控制器集成了相应的嵌入式电路，使其能够用于触摸屏控制。微控制器可用于设定门限，提供最小化误触发的噪声消除，实现支持多种不同类型触摸输入的主机固件。

为了进一步改善人机界面的表现能力，设计师能够为其添加接近传感器。单一接近传感器可用于检测物体的存在与否，如手或者用户身体。这种功能在许多应用中非常有用。例如，计算机显示器能够使用嵌入式接近检测器感应用户的存在，当检测到用户不在时，它可以关闭屏幕，以节省电力；当感应到用户返回时，它又重新点亮屏幕。

另一种迅速流行的人机界面技术是运动检测，这种运动感知能力是指系统有识别物体移动以便执行特定功能的能力。例如，手机应用程序可能会允许用户通过晃动一下手机来进行文件翻页。可以添加另一个接近传感器到设计中，使得设备具有一维空间运动检测的能力。通过定制固件，两个接近传感器与微处理器紧密配合，不仅能提供运动检测能力，还能检测出运动的方向。

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，探讨接近和运动感应系统如何在单一LED下运行，以及系统在使用多个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850nm光）又如何呢？

红外（IR）辐射光的波长为750nm～0.1m。其与可见光有着相同的特性，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，如接近检测，这样就无须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，其应用无处不在。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还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。在高级汽车上，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成反比关系。

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，但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。现在，做三个不同方向的运动来进行检测。三个方向的运动包括沿图1X轴从左到右的滑动，沿Y轴从底部到顶部的滑动，以及垂直于图1由远及近，然后由近及远的往复运动。

图1 空间动作检测系统

图2是三个动作过程中，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。图2表明，单一LED系统不能区分这些手势，其只能检测到物体正在接近或远离传感器，而不能判别方向。

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相同的三个方向运动检测结果。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。

图3 二维空间中手势性能分析

三维空间运动检测由三个LED和单个光电二极管组成，LED3与LED1、LED2不在同一直线上，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。当往复运动时，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后的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。

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。

图5 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。除了用于检测手势外，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。

责任编辑：gt