非接觸式人機交互在家電產品上的設計及應用

潘媛媛 張 勇

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510000）

引言

一方面，隨著人們對家電產品的互動界面要求越來越高，促使家電產品的人機互動界面向越來越智能、越來越友好的方向發展。另一方面，隨著世界各國低碳、綠色的倡議，各種標準和政策相繼出臺，節能省電不僅成為消費者選擇家電產品時的一項主要參考因素，低功耗更是各類家電產品設計的主流趨勢[1-4]。

在大多數家電產品上，例如冰箱、風扇、空氣凈化器、洗碗機等，會有一個顯示操作界面，也就是人機交互界面。如果在家電產品人機交互界面上設計一個非接觸式感應模塊，則可以做到在人手靠近該界面時，將其喚醒，在人手遠離該界面時，使其處于休眠狀態，不但可以降低產品功耗、節約能源，還可以使產品人機交互界面更智能化、更友好。

1 非接觸式感應原理

目前，在非接觸式接近感應傳感器上，根據使用元件不同，可分為電容式距離傳感器、光學式位移傳感器、超聲波位移傳感器等。具體到家電產品上，由于成本的要求和精度的需求，一般建議選擇使用成本較低、精度適中的電容式接近感應模塊和紅外接近感應模塊。

1.1 電容式非接觸接近感應

簡單來講，電容式接近感應就是將距離的變化量轉化為電容的變化量[5]。電容式接近開關的感應圈就像是電容器的兩個電極，串聯在RC振蕩回路中，以此來檢測是否有物體存在。當有物體朝著電容式接近開關靠近時，會增加電容器的容量，造成震蕩回路發生震蕩，相關處理電路將之進行處理，就可以把容量的變化轉換成開關量。

1.2 紅外非接觸接近感應

紅外信號發射到物體上后，會被反射回來，根據紅外信號發射源與物體的距離不同，反射回來的信號強弱也會不一樣，距離越近信號越強，距離越遠信號越弱。紅外接近感應模塊包含一個紅外信號發射二極管與紅外信號接收二極管，它們發射并接收某固定頻率的紅外信號，控制器芯片檢測并處理接收二極管的信號，從而判斷物體距離的遠近[6-8]。

2 電容式接近感應模塊的設計

目前市面上已經有較多成熟的人體接近感應芯片了，所以只需要做好感應芯片的應用即可。本案例采用的一款人體接近感應觸摸控制芯片，它是同時具有觸摸傳感和接近感應雙功能的物理集成電容感應控制芯片，并且觸摸和接近感應獨立輸出。這款芯片的接近感應低功耗模式僅僅消耗15 μA的電流，需要的外圍元件較少，設計應用簡單，穩定性較好。

電容式接近感應芯片和相關外圍元件采用SMT工藝貼在PCB上，PCB板上方是顯示屏，顯示屏上方是一個面板，這樣可以在PCB板表面形成一個有一定范圍的感應電場，用于檢測是否有物體靠近，該感應模塊的平面布局如圖1所示，該方案的結構布局如圖2所示。

圖1 電容式接近感應模塊的平面布局

圖2 電容式接近感應方案的結構布局

雖然該人體接近感應觸摸控制芯片抗射頻干擾較好，對手機、無線電話、藍牙和 WIFI 信號等射頻干擾源不敏感，但還是要遵守設計要點才能實現更好的抗干擾性能。

該人體接近感應觸摸控制芯片的引腳圖如圖3所示。引腳1 （TOUT）為觸摸感應輸出，當人體觸摸到感應電極點時，輸出相應信號給單片機，輸出的是數字信號；引腳2 （GND）為參考接地；引腳3 （POUT）為接近感應輸出，當人體靠近到與感應電極點的距離達到距離閾值時，輸出相應信號給單片機，輸出的是數字信號；引腳4 （VREG）是內部調整引腳；引腳5 （VDDHI）為芯片的電源輸入引腳；引腳6 （CX）為感應電極點，一般會在此引腳上連接一個感應天線，以便將感應區域從一個點擴大到一個面。

圖3 芯片引腳圖

在該案例中，電容式接近感應的應用設計原理圖如圖4所示。T表示接近感應點的天線，該天線是布置在PCB表面的一圈銅箔導線。

圖4 電容式接近感應的應用設計原理圖

該案例中的產品有負離子功能，負離子發生器工作時產生的負離子會對接近感應造成干擾，對其靈敏度和精確度產生一定影響，可能導致接近感應功能過于靈敏。C21電容接在電極感應點引腳CX與參考地之間，改變C21電容的值，可以調節人體靠近天線的感應靈敏度，C21的值越小，靈敏度越高，C21的值越大，靈敏度越低。同樣，VDD和GND之間的電容C19的大小、VREG和GND之間的電容C18的大小也會對接近感應功能的靈敏度造成影響。

不僅如此，在PCB布板走線時，C18和C19與芯片之間的距離也會影響到接近感應的靈敏度，C18和C19應盡可能靠近IC，這樣可以達到更好的抗干擾性能。

經過調試后，最終確認以下電路較為合理，其電路方案和元器件參數如圖5所示。

圖5 最終確認的電路方案和元器件參數

3 紅外接近感應模塊的設計

接近感應模塊也可以才有紅外感應方案。與電容式感應方案的布局類似，紅外信號發送和光敏接收二級管及相關外圍元件焊接在PCB上，PCB板上方是顯示屏，顯示屏不能對紅外信號發送和光敏接收二級管造成遮擋，顯示屏上方是一個面板，因為要使紅外信號能穿過面板，所以該面板應該是透光較好的材料。當啟用接近感應功能時，紅外信號發送二極管以一定的頻率不間斷發射紅外信號，當物體靠近到預定范圍時，發射管發射的紅外信號被反射回來，接收管接收的光強達到預定的閾值，就會觸發相應的動作，其結構布局圖如圖6所示。

圖6 紅外接近感應方案的結構布局

紅外接近感應模塊的電路設計原理圖如圖7所示。T是紅外信號發送二級管，R是光敏二極管。發送二極管T發射出紅外光信號，照射到前方物體后，紅外光經過反射后回來，使光敏二極管R接收到紅外信號后導通，驅動三極管，單片機從IR_R1處讀取信號。調整R1、R2、R3和R4的電阻參數，可以相應調整接近感應的距離和靈敏度。

圖7 紅外接近感應模塊的電路設計原理圖

紅外接近感應模塊的抗干擾能力強、工作性能穩定，但是容易受各種熱源、光源的影響。

4 結論

使用電容式接近感應方案和紅外接近感應方案均能實現接近感應功能，但是兩者在不同的場景或者產品中各有優劣，應根據產品特點進行擇優選擇。

電容式接近感應方案是依靠檢測電量的變化來判斷是否有物體靠近，各個方向都能實現感應，感應面較廣。但是，如果產品有正離子或負離子發生器，產生的正、負離子會對接近感應產生一定影響。另外，接近感應還容易受到導電材料的影響，感應面板或者感應天線上方如果有金屬或者電鍍裝飾部件，也會影響接近感應的靈敏度和準確性。

紅外接近感應方案比電容式接近感應方案更加簡單，成本也更低。但是，由于紅外接近感應方案是依靠檢測反射回來的紅外信號的強弱來判斷物體的靠近，所以精度相對較低，方向性較差。紅外接近感應模塊上方的面板要求是透光性較好的材料，面板的材料和顏色都會對接近感應的準確性產生影響，而且如果感應模塊和人體中間有障礙物，可能導致感應誤觸發。