非接触式人机交互在家电产品上的设计及应用

潘媛媛 张 勇

（中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510000）

引言

一方面，随着人们对家电产品的互动界面要求越来越高，促使家电产品的人机互动界面向越来越智能、越来越友好的方向发展。另一方面，随着世界各国低碳、绿色的倡议，各种标准和政策相继出台，节能省电不仅成为消费者选择家电产品时的一项主要参考因素，低功耗更是各类家电产品设计的主流趋势[1-4]。

在大多数家电产品上，例如冰箱、风扇、空气净化器、洗碗机等，会有一个显示操作界面，也就是人机交互界面。如果在家电产品人机交互界面上设计一个非接触式感应模块，则可以做到在人手靠近该界面时，将其唤醒，在人手远离该界面时，使其处于休眠状态，不但可以降低产品功耗、节约能源，还可以使产品人机交互界面更智能化、更友好。

1 非接触式感应原理

目前，在非接触式接近感应传感器上，根据使用元件不同，可分为电容式距离传感器、光学式位移传感器、超声波位移传感器等。具体到家电产品上，由于成本的要求和精度的需求，一般建议选择使用成本较低、精度适中的电容式接近感应模块和红外接近感应模块。

1.1 电容式非接触接近感应

简单来讲，电容式接近感应就是将距离的变化量转化为电容的变化量[5]。电容式接近开关的感应圈就像是电容器的两个电极，串联在RC振荡回路中，以此来检测是否有物体存在。当有物体朝着电容式接近开关靠近时，会增加电容器的容量，造成震荡回路发生震荡，相关处理电路将之进行处理，就可以把容量的变化转换成开关量。

1.2 红外非接触接近感应

红外信号发射到物体上后，会被反射回来，根据红外信号发射源与物体的距离不同，反射回来的信号强弱也会不一样，距离越近信号越强，距离越远信号越弱。红外接近感应模块包含一个红外信号发射二极管与红外信号接收二极管，它们发射并接收某固定频率的红外信号，控制器芯片检测并处理接收二极管的信号，从而判断物体距离的远近[6-8]。

2 电容式接近感应模块的设计

目前市面上已经有较多成熟的人体接近感应芯片了，所以只需要做好感应芯片的应用即可。本案例采用的一款人体接近感应触摸控制芯片，它是同时具有触摸传感和接近感应双功能的物理集成电容感应控制芯片，并且触摸和接近感应独立输出。这款芯片的接近感应低功耗模式仅仅消耗15 µA的电流，需要的外围元件较少，设计应用简单，稳定性较好。

电容式接近感应芯片和相关外围元件采用SMT工艺贴在PCB上，PCB板上方是显示屏，显示屏上方是一个面板，这样可以在PCB板表面形成一个有一定范围的感应电场，用于检测是否有物体靠近，该感应模块的平面布局如图1所示，该方案的结构布局如图2所示。

图1 电容式接近感应模块的平面布局

图2 电容式接近感应方案的结构布局

虽然该人体接近感应触摸控制芯片抗射频干扰较好，对手机、无线电话、蓝牙和 WIFI 信号等射频干扰源不敏感，但还是要遵守设计要点才能实现更好的抗干扰性能。

该人体接近感应触摸控制芯片的引脚图如图3所示。引脚1 （TOUT）为触摸感应输出，当人体触摸到感应电极点时，输出相应信号给单片机，输出的是数字信号；引脚2 （GND）为参考接地；引脚3 （POUT）为接近感应输出，当人体靠近到与感应电极点的距离达到距离阈值时，输出相应信号给单片机，输出的是数字信号；引脚4 （VREG）是内部调整引脚；引脚5 （VDDHI）为芯片的电源输入引脚；引脚6 （CX）为感应电极点，一般会在此引脚上连接一个感应天线，以便将感应区域从一个点扩大到一个面。

图3 芯片引脚图

在该案例中，电容式接近感应的应用设计原理图如图4所示。T表示接近感应点的天线，该天线是布置在PCB表面的一圈铜箔导线。

图4 电容式接近感应的应用设计原理图

该案例中的产品有负离子功能，负离子发生器工作时产生的负离子会对接近感应造成干扰，对其灵敏度和精确度产生一定影响，可能导致接近感应功能过于灵敏。C21电容接在电极感应点引脚CX与参考地之间，改变C21电容的值，可以调节人体靠近天线的感应灵敏度，C21的值越小，灵敏度越高，C21的值越大，灵敏度越低。同样，VDD和GND之间的电容C19的大小、VREG和GND之间的电容C18的大小也会对接近感应功能的灵敏度造成影响。

不仅如此，在PCB布板走线时，C18和C19与芯片之间的距离也会影响到接近感应的灵敏度，C18和C19应尽可能靠近IC，这样可以达到更好的抗干扰性能。

经过调试后，最终确认以下电路较为合理，其电路方案和元器件参数如图5所示。

图5 最终确认的电路方案和元器件参数

3 红外接近感应模块的设计

接近感应模块也可以才有红外感应方案。与电容式感应方案的布局类似，红外信号发送和光敏接收二级管及相关外围元件焊接在PCB上，PCB板上方是显示屏，显示屏不能对红外信号发送和光敏接收二级管造成遮挡，显示屏上方是一个面板，因为要使红外信号能穿过面板，所以该面板应该是透光较好的材料。当启用接近感应功能时，红外信号发送二极管以一定的频率不间断发射红外信号，当物体靠近到预定范围时，发射管发射的红外信号被反射回来，接收管接收的光强达到预定的阈值，就会触发相应的动作，其结构布局图如图6所示。

图6 红外接近感应方案的结构布局

红外接近感应模块的电路设计原理图如图7所示。T是红外信号发送二级管，R是光敏二极管。发送二极管T发射出红外光信号，照射到前方物体后，红外光经过反射后回来，使光敏二极管R接收到红外信号后导通，驱动三极管，单片机从IR_R1处读取信号。调整R1、R2、R3和R4的电阻参数，可以相应调整接近感应的距离和灵敏度。

图7 红外接近感应模块的电路设计原理图

红外接近感应模块的抗干扰能力强、工作性能稳定，但是容易受各种热源、光源的影响。

4 结论

使用电容式接近感应方案和红外接近感应方案均能实现接近感应功能，但是两者在不同的场景或者产品中各有优劣，应根据产品特点进行择优选择。

电容式接近感应方案是依靠检测电量的变化来判断是否有物体靠近，各个方向都能实现感应，感应面较广。但是，如果产品有正离子或负离子发生器，产生的正、负离子会对接近感应产生一定影响。另外，接近感应还容易受到导电材料的影响，感应面板或者感应天线上方如果有金属或者电镀装饰部件，也会影响接近感应的灵敏度和准确性。

红外接近感应方案比电容式接近感应方案更加简单，成本也更低。但是，由于红外接近感应方案是依靠检测反射回来的红外信号的强弱来判断物体的靠近，所以精度相对较低，方向性较差。红外接近感应模块上方的面板要求是透光性较好的材料，面板的材料和颜色都会对接近感应的准确性产生影响，而且如果感应模块和人体中间有障碍物，可能导致感应误触发。