王灝 朱潔樂(lè) 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(kāi)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(chǎng)先機(jī)也開(kāi)始緊跟時(shí)代步伐，積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局。通過(guò)近三年的迅猛發(fā)展，無(wú)論大家電還是小家電，均加入了不同應(yīng)用場(chǎng)景的智能元素。

在眾多的智能化應(yīng)用場(chǎng)景中，非接觸式傳感技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)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(xué)式等[1]，電磁式是通過(guò)電流流經(jīng)線圈時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化感應(yīng)金屬物體[2]；超聲波式則通過(guò)聲波的反射判斷障礙物的接近情況[3]；電容式通過(guò)檢測(cè)物體靠近時(shí)兩片電容電極間電場(chǎng)變化檢測(cè)物體接近[4]；光學(xué)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(yīng)基礎(chǔ)上延伸的非接觸式手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更多維度的控制方法[6]。以上傳感器在其各自應(yīng)用領(lǐng)域均能實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的效果，但是將非接觸控制應(yīng)用于蒸烤箱需考慮產(chǎn)品外觀、感應(yīng)距離調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)等因素，綜合以上應(yīng)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(duì)象。

將基于紅外脈沖的非接觸式接近傳感器應(yīng)用于蒸烤箱，在傳統(tǒng)人機(jī)交互的基礎(chǔ)上加入智能控制元素，通過(guò)該傳感器可以通過(guò)感知用戶的位置實(shí)現(xiàn)顯示屏和照明的智能控制，以達(dá)到人機(jī)非接觸交互的目的。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，該傳感器在蒸烤產(chǎn)品的運(yùn)行環(huán)境下抗干擾能力強(qiáng)、識(shí)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(yàn)和實(shí)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(fù)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(guò)障礙物反射后進(jìn)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(hào)，并通過(guò)IIC通訊將該數(shù)字信號(hào)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(fù)載，以實(shí)現(xiàn)接近感應(yīng)的功能。

圖1 非接觸式接近傳感工作原理圖

3 電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，該傳感器電路圖共包括四個(gè)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(duì)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L(zhǎng)ITE-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(jiàn)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(yàn)結(jié)果分析

紅外脈沖非接觸式接近傳感器在應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)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(yīng)區(qū)域和成功率等四個(gè)強(qiáng)相關(guān)因素分別進(jìn)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(jìn)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(guò)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(shuō)明照度的強(qiáng)弱對(duì)傳感器性能無(wú)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(guò)程中，需要將傳感器安裝在觸摸玻璃面板背面，傳感器透過(guò)玻璃面板實(shí)現(xiàn)接近感應(yīng)檢測(cè)，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(jìn)行對(duì)比測(cè)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(wú)法識(shí)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(yuǎn)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(jìn)行測(cè)試，傳感器分別距離障礙物10 cm至100 cm，測(cè)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(hào)強(qiáng)度由強(qiáng)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(qiáng)度相同，均為2047；（3）隨著障礙物的遠(yuǎn)離，反饋AD值均變??；（4）當(dāng)距離約大于50 cm時(shí)，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(duì)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(yīng)區(qū)域及成功率

該傳感器在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的感應(yīng)區(qū)域和成功率直接影響用戶體驗(yàn)，因此需要針對(duì)用戶的使用習(xí)慣對(duì)感應(yīng)區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)大量用戶在使用過(guò)程中的操作習(xí)慣研究發(fā)現(xiàn)，用戶在進(jìn)行操作時(shí)身體距離產(chǎn)品一般在60 cm之內(nèi)，同時(shí)為消除用戶不同服飾顏色影響和防止誤觸發(fā)，將感應(yīng)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(yīng)區(qū)域?yàn)椤?0°射線與傳感器60 cm距離所覆蓋區(qū)域。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試，從任意方向完全進(jìn)入感應(yīng)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(yīng)成功。測(cè)試結(jié)果表明感應(yīng)成功率接近100%，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示，且在感應(yīng)區(qū)域之外的位置不會(huì)誤觸發(fā)。

圖7 感應(yīng)區(qū)域示意圖

圖8 感應(yīng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

本文將基于紅外脈沖的非接觸式接近傳感器應(yīng)用于蒸烤箱，針對(duì)該傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合其工作原理設(shè)計(jì)出電路原理圖，并對(duì)照度、透射油墨、障礙物顏色及感應(yīng)區(qū)域等干擾因素的試驗(yàn)分析，研究發(fā)現(xiàn)，普通光線對(duì)傳感器不會(huì)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(shí)滿足用戶操作習(xí)慣，將感應(yīng)區(qū)域設(shè)計(jì)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(chǎng)景的產(chǎn)品，不僅具有較高的抗干擾性和較高的感應(yīng)成功率，且在家電產(chǎn)品上具有廣闊的應(yīng)用前景。