基于红外脉冲的非接触式接近传感器应用研究

王灏 朱洁乐 程艳

广东美的厨房电器制造有限公司 广东佛山 528000

1 引言

智慧生活已经成为现代人追逐的理想生活方式，而智能家电则是其中不可或缺的重要组成部分。约从2017年开始，智能化浪潮迅速席卷家电行业，许多传统家电企业为抢占市场先机也开始紧跟时代步伐，积极调整产业布局。通过近三年的迅猛发展，无论大家电还是小家电，均加入了不同应用场景的智能元素。

在众多的智能化应用场景中，非接触式传感技术的应用越来越广泛。现有非接触接近传感器有电磁式、超声波式、电容式、光学式等[1]，电磁式是通过电流流经线圈时产生的磁场变化感应金属物体[2]；超声波式则通过声波的反射判断障碍物的接近情况[3]；电容式通过检测物体靠近时两片电容电极间电场变化检测物体接近[4]；光学式包含接收器和发射器，发射器发出的光线遇到障碍物返回到接收器中，从而判断障碍物的接近[5]。在接近感应基础上延伸的非接触式手势识别技术，可以实现更复杂、更多维度的控制方法[6]。以上传感器在其各自应用领域均能实现不错的效果，但是将非接触控制应用于蒸烤箱需考虑产品外观、感应距离调节简便、抗干扰能力强等因素，综合以上应用条件，选用基于红外脉冲的非接触式接近传感器作为研究对象。

将基于红外脉冲的非接触式接近传感器应用于蒸烤箱，在传统人机交互的基础上加入智能控制元素，通过该传感器可以通过感知用户的位置实现显示屏和照明的智能控制，以达到人机非接触交互的目的。通过研究发现，该传感器在蒸烤产品的运行环境下抗干扰能力强、识别率高，并且以打破传统的创新控制方式提升用户体验和实用性。

2 工作原理

如图1所示为传感器工作原理图，其由三部分组成：传感器、主控系统以及负载，传感器又包括接收器和IR LED（发射器），IR LED发射红外脉冲，经过障碍物反射后进入到接收器，传感器将接收到的红外脉冲转换成数字信号，并通过IIC通讯将该数字信号传输到主控系统，再由主控系统根据交互规则控制后端的负载，以实现接近感应的功能。

图1 非接触式接近传感工作原理图

3 电路设计

如图2所示，该传感器电路图共包括四个部分：红外发射与接收、通讯接口、IR LED供电电路、接收器供电电路。由于接收器和IR LED工作电压为3.3 V，因此需要LDO将主控系统输入的5 V电压转化为3.3 V。由于IR LED存在脉冲尖峰，为防止对接收器产生影响，分别给接收器和IR LED供电。红外发射与接收部分的Double N-MOSFET作用为电平转换。

传感器所使用的接收器和IR LED分别为LITE-ON公司的LTR-507ALS-01和LTE-C249，其中接收器工作电压为2.4 V～3.6 V，工作环境温度范围为-40℃～85℃。IR LED最大功耗为190 mW，持续电流100 mA，反向电压为5 V，工作环境温度范围为-40℃～85℃；其他参数见表1。

表1 传感器参数表

图2 传感器控制电路原理图

4 试验结果分析

红外脉冲非接触式接近传感器在应用过程中，会受到许多外界干扰因素，以下就照度、透射油墨、障碍物颜色以及感应区域和成功率等四个强相关因素分别进行研究。

4.1 照度影响

由于该传感器是以红外脉冲作为媒介进行距离感知，因此不同照度的环境光成为潜在影响该传感器性能的主要因素之一。通过灯箱模拟1566 lx、1420 lx、1130 lx、740 lx四种不同照度的环境光，以及在昏暗环境下30 lx环境光。在传感器放置位置及障碍物相同的条件下，不同照度下传感器反馈AD平均值依次是475.9、477.9、475.8、461.1、476.2，如图3所示在不同照度下传感器反馈AD值曲线，说明照度的强弱对传感器性能无明显影响。

图3 不同照度下传感器反馈AD值

4.2 油墨影响

在传感器产品化过程中，需要将传感器安装在触摸玻璃面板背面，传感器透过玻璃面板实现接近感应检测，为了不影响产品整体外观，需要在传感器透射区域的玻璃面板上覆盖油墨，选取普通半透黑油墨及专业红外透光油墨进行对比测试，将障碍物放置在距离传感器30 cm、40 cm、50 cm的位置。如图4所示，在不同距离下，使用普通油墨的传感器反馈AD值平均值依次为72.6、68.2、75.7，无法识别不同距离的障碍物。由图5可知，使用红外透光油墨的传感器反馈AD值平均值依次为465.9、334.4、234.7，随着障碍物的远离，反馈AD值随之变小。

图4 普通油墨在障碍物不同距离下的传感器反馈AD值

图5 红外透光油墨在障碍物不同距离下的传感器反馈AD值

4.3 障碍物颜色影响

选取黑、白、灰三种颜色A4纸大小障碍物进行测试，传感器分别距离障碍物10 cm至100 cm，测试结果如图6所示，得到以下结论：（1）在障碍物距离相同下，反馈信号强度由强到弱依次为白、灰、黑；（2）在障碍物距离为0～5 cm区间内，不同色卡反馈强度相同，均为2047；（3）随着障碍物的远离，反馈AD值均变小；（4）当距离约大于50 cm时，不同色卡的反馈值随着距离的增大渐渐重合，即传感器已经失去对距离的分辨能力。

图6 不同障碍物颜色与传感器反馈AD值关系

4.4 感应区域及成功率

该传感器在实际应用场景中的感应区域和成功率直接影响用户体验，因此需要针对用户的使用习惯对感应区域进行设计。通过对大量用户在使用过程中的操作习惯研究发现，用户在进行操作时身体距离产品一般在60 cm之内，同时为消除用户不同服饰颜色影响和防止误触发，将感应区域限制在如图7所示的区域内，以传感器为中心，感应区域为±30°射线与传感器60 cm距离所覆盖区域。在实际应用场景中进行测试，从任意方向完全进入感应区域后，最终正面面向产品，触发交互功能则表示感应成功。测试结果表明感应成功率接近100%，统计结果如图8所示，且在感应区域之外的位置不会误触发。

图7 感应区域示意图

图8 感应结果统计

5 结论

本文将基于红外脉冲的非接触式接近传感器应用于蒸烤箱，针对该传感器的应用场景，结合其工作原理设计出电路原理图，并对照度、透射油墨、障碍物颜色及感应区域等干扰因素的试验分析，研究发现，普通光线对传感器不会造成干扰；需匹配红外透射油墨才能使传感器正常工作；为消除用户不同服饰颜色影响，同时满足用户操作习惯，将感应区域设计为以传感器为中心的±30°射线与距离传感器60 cm所覆盖区域。

基于红外脉冲的非接触式接近传感器能较好的适用于非接触使用场景的产品，不仅具有较高的抗干扰性和较高的感应成功率，且在家电产品上具有广阔的应用前景。