紅外線(xiàn)接近感應人機界面設計要素

傳統的人機界面設計依靠機械式按鍵為用戶(hù)提供系統輸入功能，然而，隨著(zhù)智能手機、便攜式游戲機、個(gè)人導航以及其他設備的日益普及，更有潛力的、更具吸引力的用戶(hù)界面方式開(kāi)始被采用，這就是具備接近感應能力的觸摸屏。

觸摸屏是一類(lèi)能夠檢測觸摸存在和位置的顯示設備，它們可以讓用戶(hù)通過(guò)設備屏幕直接與設備交互。今天，許多微控制器集成了相應的嵌入式電路，使其能夠用于觸摸屏控制。微控制器可用于設定門(mén)限，提供最小化誤觸發(fā)的噪聲消除，實(shí)現支持多種不同類(lèi)型觸摸輸入的主機固件。

為了進(jìn)一步改善人機界面的表現能力，設計師能夠為其添加接近傳感器。單一接近傳感器可用于檢測物體的存在與否，如手或者用戶(hù)身體。這種功能在許多應用中非常有用。例如，計算機顯示器能夠使用嵌入式接近檢測器感應用戶(hù)的存在，當檢測到用戶(hù)不在時(shí)，它可以關(guān)閉屏幕，以節省電力；當感應到用戶(hù)返回時(shí)，它又重新點(diǎn)亮屏幕。

另一種迅速流行的人機界面技術(shù)是運動(dòng)檢測，這種運動(dòng)感知能力是指系統有識別物體移動(dòng)以便執行特定功能的能力。例如，手機應用程序可能會(huì )允許用戶(hù)通過(guò)晃動(dòng)一下手機來(lái)進(jìn)行文件翻頁(yè)?？梢蕴砑恿硪粋€(gè)接近傳感器到設計中，使得設備具有一維空間運動(dòng)檢測的能力。通過(guò)定制固件，兩個(gè)接近傳感器與微處理器緊密配合，不僅能提供運動(dòng)檢測能力，還能檢測出運動(dòng)的方向。

要理解動(dòng)作感應系統設計的理論基礎，需要了解紅外線(xiàn)(IR)與可見(jiàn)光的差異，探討接近和運動(dòng)感應系統如何在單一LED下運行，以及系統在使用多個(gè)LED進(jìn)行多接近測量時(shí)如何工作。

當我們談及“光”時(shí)，通常指的是來(lái)自太陽(yáng)或燈具的可見(jiàn)光，然而，可見(jiàn)光僅占光譜范圍中的一小部分。我們把可見(jiàn)光定義為人眼可以識別的所有光線(xiàn)，通常人眼可以識別的光線(xiàn)波長(cháng)為380～750nm。那么，人眼無(wú)法識別的非可見(jiàn)光（如波長(cháng)為850nm光）又如何呢？

紅外（IR）輻射光的波長(cháng)為750nm～0.1m。其與可見(jiàn)光有著(zhù)相同的特性，如反射率，而且它可以通過(guò)特殊燈泡或發(fā)光二極管生成。因為人眼無(wú)法看到IR光，所以我們可以用它來(lái)完成一些特殊的人機界面任務(wù)，如接近檢測，這樣就無(wú)須用戶(hù)與系統進(jìn)行任何直接接觸。

IR接近傳感系統能夠檢測附近物體的存在，并根據檢測結果做出反應，其應用無(wú)處不在。例如，手機可以使用接近傳感技術(shù)檢測通話(huà)時(shí)手機是否接近面部。當你把手機靠近耳邊時(shí)，手機將檢測到頭的存在，從而自動(dòng)關(guān)閉屏幕以節省電能。其他接近感應系統的例子還包括皂液器和飲水機，你可以把手放在傳感器附近（通常在皂液管或水龍頭附近），以“非接觸”而又衛生的方式獲取皂液或水。在高級汽車(chē)上，外部防碰撞系統也使用接近檢測，當汽車(chē)與其他汽車(chē)或者物體太靠近時(shí)，接近檢測會(huì )提醒司機注意。有些車(chē)輛還可以使用車(chē)內接近感應系統檢測乘客的存在，從而調整安全裝置（如安全氣囊）。

接近檢測通過(guò)專(zhuān)門(mén)設計的IR LED實(shí)現。與IR LED相對應的是光電二極管，它一般用來(lái)檢測LED發(fā)出的IR光。當IR LED和光電二極管同方向放置時(shí)，光電二極管將不會(huì )檢測到任何IR光，除非有物體在LED的前面，將光反射回光電二極管。反射回光電二極管的光強與物體到光電二極管的距離成反比關(guān)系。

單一LED和光電二極管相結合可以檢測一些動(dòng)作，例如，可以檢測物體是否靠近或遠離光電二極管，但這僅僅是一維空間檢測。假設一個(gè)系統，其布局如圖1所示，單一LED系統僅使用LED1與IR傳感器?，F在，做三個(gè)不同方向的運動(dòng)來(lái)進(jìn)行檢測。三個(gè)方向的運動(dòng)包括沿圖1X軸從左到右的滑動(dòng)，沿Y軸從底部到頂部的滑動(dòng)，以及垂直于圖1由遠及近，然后由近及遠的往復運動(dòng)。

圖1 空間動(dòng)作檢測系統

圖2是三個(gè)動(dòng)作過(guò)程中，Silicon Labs Si1120傳感器感應IR LED后的輸出值。其中，Y軸是反射的IR光強，X軸是時(shí)間。圖2表明，單一LED系統不能區分這些手勢，其只能檢測到物體正在接近或遠離傳感器，而不能判別方向。