紅外接近感測(cè)：搭建模塊，機(jī)械考量以及設(shè)計(jì)折中

紅外接近感測(cè)：搭建模塊，機(jī)械考量以及設(shè)計(jì)折中

接近感測(cè)基于紅外信號(hào)的采集和處理，通常需要兩個(gè)部件來(lái)構(gòu)成光學(xué)前端：一個(gè)紅外LED和一個(gè)光傳感器。紅外LED向被感測(cè)物體射出一束紅外信號(hào)，一部分信號(hào)會(huì)反射回來(lái)，被紅外CMOS光傳感器探測(cè)到。通過(guò)片上的信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，被數(shù)字化的紅外信號(hào)可以由微處理器或MCU進(jìn)行后處理，用于各種各樣的接近感測(cè)用途。

一個(gè)典型的紅外接近感測(cè)系統(tǒng)是由一個(gè)光學(xué)前端、模擬混合信號(hào)處理電路，和一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的。要做出一個(gè)有效的設(shè)計(jì)，重要的一點(diǎn)是理解接近感測(cè)的原理、電路構(gòu)建模塊、機(jī)械設(shè)計(jì)考量、接近感測(cè)算法和典型的接近特性。機(jī)械部分的設(shè)計(jì)通常要根據(jù)不同應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)折中，例如手機(jī)、PDA、筆記本電腦和各種消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。設(shè)計(jì)折中包括器件選型、放置尺寸、玻璃鏡片特性、光學(xué)設(shè)計(jì)，以及應(yīng)用算法和軟件實(shí)施。

集成的環(huán)境光感測(cè)和接近感測(cè)系統(tǒng)不但能測(cè)出周?chē)墓猸h(huán)境，還能探測(cè)正在接近或遠(yuǎn)離的物體。這樣微處理器或MCU就能做出更復(fù)雜的控制和調(diào)整決定，更好地改善系統(tǒng)的能量效率，實(shí)現(xiàn)很多用戶(hù)友好的應(yīng)用。例如，如果手機(jī)能夠知道你正把手機(jī)貼近耳朵來(lái)接聽(tīng)電話，MCU就可以關(guān)掉不用的子系統(tǒng)，例如顯示屏、鍵盤(pán)或觸摸屏，來(lái)節(jié)省能量，并避免用戶(hù)無(wú)意當(dāng)中碰到按鍵。

紅外接近感測(cè)的基礎(chǔ)

紅外接近感測(cè)可以用下面的圖來(lái)簡(jiǎn)單描述。圖1顯示了一個(gè)例子，當(dāng)在接近探測(cè)路徑上沒(méi)有感測(cè)物體時(shí)，就不會(huì)有反射回來(lái)的紅外信號(hào)被接近傳感器捕獲到。

相反，當(dāng)感測(cè)物體處在可探測(cè)的距離內(nèi)時(shí)，如圖2所示，接近傳感器會(huì)捕捉到反射回來(lái)的紅外信號(hào)。接近讀數(shù)與捕獲的紅外光信號(hào)的強(qiáng)度成線性比，與距離的平方成反比。

圖2

圖2，在接近探測(cè)區(qū)域有感測(cè)物體。

典型的數(shù)字接近感測(cè)傳感器功能框圖

圖3顯示了典型的數(shù)字環(huán)境光和接近傳感器中的電路功能框圖。光敏二極管陣列是信號(hào)調(diào)理和采集光學(xué)前端的部件。集成的ADC可以把捕獲的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的數(shù)據(jù)流，送給微控制器進(jìn)行后處理，實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用目的。

不同的配置指令可以通過(guò)I2C 接口寫(xiě)入。用戶(hù)還可通過(guò)同一個(gè)數(shù)字接口讀出環(huán)境光和接近距離的數(shù)據(jù)流。中斷功能直接送到MCU，由MCU控制一個(gè)紅外LED驅(qū)動(dòng)器，按照接近探測(cè)循環(huán)期間編程設(shè)定和控制的時(shí)鐘周期，為發(fā)射紅外信號(hào)提供所需的前向電流。

圖3：典型的接近傳感器功能框圖。

機(jī)械設(shè)計(jì)的考量

1)選擇紅外LED

光學(xué)前端的另一個(gè)重要部件是紅外LED。不同的紅外LED具有不同的峰值波長(zhǎng)、發(fā)光強(qiáng)度和視角。典型峰值波長(zhǎng)為850nm～950nm的高亮度紅外LED與ISL29011接近傳感器的光譜相匹配。窄視角和更高的發(fā)光強(qiáng)度能夠加大接近探測(cè)的距離。選擇一款視角、機(jī)械占位、發(fā)光強(qiáng)度和功耗都比較均衡的紅外LED是很重要的。

2)器件的放置尺寸

元器件的放置在機(jī)械設(shè)計(jì)中起著十分關(guān)鍵的作用，決定了接近探測(cè)的距離遠(yuǎn)近。這里有許多決定因素：傳感器和障礙物之間的空間距離，障礙物和紅外LED之間的距離，障礙物高度的變化，尤其是是否使用光導(dǎo)管。圖4顯示了一個(gè)采用典型元器件放置尺寸的接近感測(cè)系統(tǒng)解決方案。

圖4，典型的器件放置尺寸

3)玻璃窗口的尺寸和放置

對(duì)于一個(gè)平面鏡片，視角是塑料或玻璃材料折射率的函數(shù)。更密實(shí)的材料(折射率更高)的有效視角更小，低密度介質(zhì)的視角更寬。窗口鏡片對(duì)光傳感器的視角有明確的限制。窗口鏡片應(yīng)該直接放到傳感器的頂部，鏡片的厚度應(yīng)該盡量薄，以減少光強(qiáng)的損失。

4)接近感測(cè)系統(tǒng)算法

完成元器件選型和設(shè)計(jì)之后，一個(gè)穩(wěn)定耐用的接近感測(cè)系統(tǒng)還需要光傳感器在各種環(huán)境光條件下對(duì)不同的感測(cè)物體做動(dòng)態(tài)的自校準(zhǔn)。一個(gè)優(yōu)秀的接近感測(cè)算法是必不可少的，能夠幫助接近感測(cè)硬件智能地避開(kāi)來(lái)自不同的機(jī)械設(shè)計(jì)局限和惡劣的周邊環(huán)境的重重障礙，從而持續(xù)、穩(wěn)定地探測(cè)距離。

5)典型的接近測(cè)量

圖5

在接近感測(cè)系統(tǒng)上采用了各種設(shè)計(jì)和實(shí)施方法后，就能夠得到一個(gè)不錯(cuò)的接近感測(cè)測(cè)試系統(tǒng)，如圖5所示。環(huán)境光和接近感測(cè)系統(tǒng)根據(jù)特定用戶(hù)應(yīng)用的要求進(jìn)行了優(yōu)化。在平衡了上述設(shè)計(jì)折中后，消費(fèi)者能夠?qū)ο到y(tǒng)的各個(gè)方面進(jìn)行精準(zhǔn)地調(diào)整，滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。

附注：光學(xué)基礎(chǔ)

大多數(shù)光源發(fā)出的光都包含可見(jiàn)光和紅外光譜成分。不同的光源可以有近似的以流明衡量的可見(jiàn)光強(qiáng)度，但是紅外光譜的響應(yīng)相差會(huì)很大。在測(cè)量光強(qiáng)時(shí)，必須考慮到光的頻譜特性和光學(xué)傳感器的頻譜敏感度的差異。采用CMOS工藝的光傳感器能探測(cè)到大多數(shù)紅外輻射(峰值敏感度為880nm)，因此會(huì)誤報(bào)真實(shí)的環(huán)境(可見(jiàn)的)狀況。

對(duì)于燈泡之類(lèi)的光源，傳感器信號(hào)要比人眼看到的數(shù)量多得多。由這類(lèi)傳感器控制的照明方案的響應(yīng)可能與環(huán)境光譜不符，從而限制了最大接近感測(cè)距離。要建立更合適的減光或照明控制，作為接近感測(cè)系統(tǒng)解決方案的一部分，一顆能模仿人眼對(duì)最大紅外信號(hào)反應(yīng)的傳感器是必不可少的。圖6顯示了一個(gè)光學(xué)傳感器的光譜響應(yīng)，非常適合環(huán)境光感測(cè)。該圖還顯示了在接近感測(cè)中所使用的紅外波長(zhǎng)的光譜。