CN111398982A - 一种红外手势识别系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种红外手势识别系统和方法，其中一种红外手势识别系统，包括微控制器单元，为整个系统的主控单元；红外发射单元，为微控制器单元的输出，与微控制器单元相连；红外接收单元，为微控制器单元的输入，与微控制器单元相连；输出单元，为系统的输出，与微控制器单元相连；电源管理单元，为整个系统供电。本发明的有益效果是：通过动态调整红外接收单元的放大处理电路的增益，扩大了红外接收单元对红外信号检测的动态范围，从而有效提高了手势检测的有效距离。

Description

一种红外手势识别系统和方法
技术领域
本发明属于电子应用技术领域，具体涉及一种红外手势识别系统和方法。
背景技术
手势识别作为人机交互的一种方式，在智能系统上得到了越来越广泛的应用。常用的手势识别系统由发射单元、接收单元以及控制单元组成，接收单元检测被手势反射的来自发射单元的红外信号，送至控制单元来确定手势。接收单元通常包括光敏二极管和放大器，放大器为固定增益，增益高低依据近距离下的光敏二极管电流信号不会导致放大器输出达到最大摆幅来确定。相应的，手势距离接收单元较远时，如30cm以上时，放大器输出的信号就会比较小，小到一定程度后，控制单元就无法手势信号，这限制了手势识别的有效工作距离。
发明内容
为解决现在技术存在的上述问题，本发明提供了一种有效提高了手势检测的有效距离的红外手势识别系统。
本发明还提供了一种有效提高了手势检测的有效距离的红外手势识别方法。
本发明采用的技术方案是：
一种红外手势识别系统，其特征在于：包括
微控制器单元，为整个系统的主控单元；
红外发射单元，为微控制器单元的输出，与微控制器单元相连；
红外接收单元，为微控制器单元的输入，与微控制器单元相连；
输出单元，为系统的输出，与微控制器单元相连；
电源管理单元，为整个系统供电。
进一步，所述微控制器单元包括微处理器、存储器、A/D转换器，所述微处理器分别与存储器、A/D转换器连接，实现信号采集、处理，时序管理，逻辑控制以及输出等功能。
进一步，所述红外发射单元包括n个红外发射光源和红外驱动电路组成，其中2≤n≤4，所述红外发射光源与控制其动作的红外驱动电路连接，所述红外驱动电路与控制其动作的微控制器单元连接。
进一步，所述红外接收单元由1个红外光敏器件和放大处理电路组成，所述红外光敏器件与将其信号进行处理的放大处理电路连接，所述放大处理电路与接收其信号输出相应控制的微控制器单元连接。
进一步，所述放大处理电路包括I-V放大电路、电压放大电路、模拟开关电路，所述I-V放大电路的输入端与红外光敏器件连接，所述I-V放大电路的输出端与电压放大电路的输入端连接，所述电压放大电路的输入端与所述模拟开关电路的输出端连接，所述电压放大电路的输出端与微控制器单元连接，所述微控制器单元与模拟开关电路的输入端连接。
进一步，所述输出单元为输出电路或者高低电平输出电路。
进一步，所述电源管理单元由LDO组成。
一种红外手势识别方法，采用上述的红外手势识别系统，所述红外发射单元和红外接收单元的正上方构成红外手势识别系统的检测区，红外手势识别的具体步骤如下：
S201检测区出现手势时，红外接收单元的红外光敏器件接收到红外信号；
S202微控制器单元读取红外接收单元的电压放大电路的输出电压；
S203微控制器单元根据电压放大电路的输出电压判断所述电压放大电路的增益是否处在合适的水平，若是，则执行S205，若否，则选择适合的反馈电阻，以相应调节放大电路的增益，并执行S204；
S204微控制器单元输出控制信号驱动模拟开关电路的模拟开关，连接上适合的反馈电阻，调节电压放大电路的增益使其处在合适的水平；
S205维持模拟开关电路的模拟开关状态和反馈电阻不变。
被手反射回来的红外发射信号在极近距离和最大距离的情况下强度变化较大，红外接收单元接收到的信号变化幅度相应也比较大，接收单元电压放大器的放大倍数既要满足小信号的需求以提高信噪比，又要满足大信号时的信号处理，避免达到最大摆幅。这就限制了所检测手势的最大距离和最小距离，也就是手势检测的范围。本发明通过动态调整红外接收单元的放大处理电路的增益，扩大了红外接收单元对红外信号检测的动态范围，从而有效提高了手势检测的有效距离。
本发明的有益效果是：通过动态调整红外接收单元的放大处理电路的增益，扩大了红外接收单元对红外信号检测的动态范围，从而有效提高了手势检测的有效距离。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明红外接收单元的原理框图。
图3为本发明红外接收单元电压放大电路的原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例一
参见图1-3，本实施例提供了一种红外手势识别系统包括：微控制器单元11、红外发射单元12、红外接收单元13、输出单元14以及电源管理单元15，如图 1所示。
所述微控制器单元11为整个系统的主控单元；所述红外发射单元13与微控制器单元11相连，作为微控制器单元11的输出；所述红外接收单元12与微控制器单元11相连，作为微控制器单元11的输入；所述输出单元14与微控制器单元相连，作为系统的输出；所述电源管理单元15为整个系统供电。
本实施例所述微控制器单元11，包括微处理器、存储器、A/D转换器等，所述微处理器分别与存储器、A/D转换器连接，实现信号采集、处理，时序管理，逻辑控制以及输出等功能；所述输出单元14为输出电路或者高低电平输出电路；所述电源管理单元15由LDO组成。
本实施例所述红外发射单元12包括n(2≤n≤4)个红外发射光源121和驱动电路122组成；所述红外发射光源121与控制其动作的红外驱动电路122连接，所述红外驱动电路122与控制其动作的微控制器单元11连接。
本实施例所述红外接收单元13由1个红外光敏器件131和放大处理电路132 组成；所述红外光敏器件131与将其信号进行处理的放大处理电路132连接，所述放大处理电路132与接收其信号输出相应控制的微控制器单元11连接。
本实施例所述红外发射单元12和红外接收单元13的正上方构成手势识别系统的检测区。所述红外发射光源121个数若为2个，则红外接收单元13与红外发射光源121安装在一条直线上且红外接收单元13位于中点处，此安装形式适用于从左到右、从右到左、单击、双击、悬停的手势识别；所述红外发射光源121个数若为3个，则红外发射光源以等腰直角三角形的形状安装且红外接收单元位于底边中点处；所述红外发射光源个数若为4个，则红外发射光源以正方形的形状安装且红外接收单元位于正方形中心处，以上两种安装形式均适用于从左到右、从右到左、单击、双击、悬停、从前到后、从后到前的手势识别，出于降低成本的目的可以使用3个红外发射光源，但4个红外发射光源比3 个红外发射光源的手势识别准确率更高。
本实施例所述放大处理电路132由I-V放大电路23，电压放大电路24，模拟开关电路22组成，如图2所示；所述I-V放大电路23的输入端与红外光敏器件131连接，所述I-V放大电路23的输出端与电压放大电路24的输入端连接，所述电压放大电路24的输入端与所述模拟开关电路22的输出端连接，所述电压放大电路24的输出端与微控制器单元11连接，所述微控制器单元11与模拟开关电路22的输入端连接。
所述电压放大电路24和模拟开关电路22的连接关系如图3所示，U1为运算放大器，U2为模拟开关集成电路，11为微控制器单元，R1为运算放大器的反向端输入电阻，Rf1、Rf2……Rfm(m≥2)为运算放大器U1的反馈电阻网络，依据模拟开关集成电路U2的通断确定接入电阻Rf，Rf即为运算放大器U1 的反馈电阻；所述运算放大器U1的电压传输函数为Vout＝Vin*Rf/R1；所述模拟开关集成电路U2受微控制器单元11控制。
本发明红外光敏器件输出的光电流信号的大小取决于接收到的红外信号的辐射强度，红外信号的辐射强度又取决于红外发射光源的辐射强度和手势反射进入的信号强度。在红外发射光源辐射强度一定的情况下，手势距离识别系统越远，红外光敏器件接收到的光电流信号越小，电压放大电路需要的增益就越大；手势距离识别系统越近，红外光敏器件接收到的光电流信号越大，电压放大电路需要的增益就越小。
实施例二
本实施例提供了一种红外手势识别方法，采用实施例一所述的红外手势识别系统，所述红外发射单元12和红外接收单元13的正上方构成红外手势识别系统的检测区，红外手势识别的具体步骤如下：
S201检测区出现手势时，红外接收单元13的红外光敏器件131接收到红外信号；
S202微控制器单元11读取红外接收单元13的电压放大电路24的输出电压；
S203微控制器单元11根据电压放大电路24的输出电压判断所述电压放大电路24的增益是否处在合适的水平，即输出电压若处在所述电压放大电路输出最大摆幅的10％-90％范围内则认为增益处在合适水平。若是，则执行S205，若否，则执行S204；
S204微控制器单元11输出控制信号驱动模拟开关电路22的模拟开关，相应打开或闭合某些模拟开关，调节电压放大电路24的增益使其处在合适的水平。如增益过大，则减小反馈电阻，如增益过小，则增大反馈电阻。
S205维持模拟开关电路22的模拟开关状态和反馈电阻不变。
本发明被手反射回来的红外发射信号在极近距离和最大距离的情况下强度变化较大，红外接收单元接收到的信号变化幅度相应也比较大，接收单元电压放大器的放大倍数既要满足小信号的需求以提高信噪比，又要满足大信号时的信号处理，避免达到最大摆幅。这就限制了所检测手势的最大距离和最小距离，也就是手势检测的范围。本发明通过动态调整红外接收单元的放大处理电路的增益，扩大了红外接收单元对红外信号检测的动态范围，从而有效提高了手势检测的有效距离。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种红外手势识别系统，其特征在于：包括
微控制器单元，为整个系统的主控单元；
红外发射单元，为微控制器单元的输出，与微控制器单元相连；
红外接收单元，为微控制器单元的输入，与微控制器单元相连；
输出单元，为系统的输出，与微控制器单元相连；
电源管理单元，为整个系统供电。
2.根据权利要求1所述的一种红外手势识别系统，其特征在于：所述微控制器单元包括微处理器、存储器、A/D转换器，所述微处理器分别与存储器、A/D转换器连接。
3.根据权利要求1所述的一种红外手势识别系统，其特征在于：所述红外发射单元包括n个红外发射光源和红外驱动电路组成，其中2≤n≤4，所述红外发射光源与控制其动作的红外驱动电路连接，所述红外驱动电路与控制其动作的微控制器单元连接。
4.根据权利要求1所述的一种红外手势识别系统，其特征在于：所述红外接收单元由1个红外光敏器件和放大处理电路组成，所述红外光敏器件与将其信号进行处理的放大处理电路连接，所述放大处理电路与接收其信号输出相应控制的微控制器单元连接。
5.根据权利要求4所述的一种红外手势识别系统，其特征在于：所述放大处理电路包括I-V放大电路、电压放大电路、模拟开关电路，所述I-V放大电路的输入端与红外光敏器件连接，所述I-V放大电路的输出端与电压放大电路的输入端连接，所述电压放大电路的输入端与所述模拟开关电路的输出端连接，所述电压放大电路的输出端与微控制器单元连接，所述微控制器单元与模拟开关电路的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的一种红外手势识别系统，其特征在于：所述输出单元为输出电路或者高低电平输出电路。
7.根据权利要求1所述的一种红外手势识别系统，其特征在于：所述电源管理单元由LDO组成。
8.一种红外手势识别方法，采用权利要求1至7任意一项所述的红外手势识别系统，所述红外发射单元和红外接收单元的正上方构成红外手势识别系统的检测区，红外手势识别的具体步骤如下：
S201检测区出现手势时，红外接收单元的红外光敏器件接收到红外信号；
S202微控制器单元读取红外接收单元的电压放大电路的输出电压；
S203微控制器单元根据电压放大电路的输出电压判断所述电压放大电路的增益是否处在合适的水平，若是，则执行S205，若否，则选择适合的反馈电阻，以相应调节放大电路的增益，并执行S204；
S204微控制器单元输出控制信号驱动模拟开关电路的模拟开关，连接上适合的反馈电阻，调节电压放大电路的增益使其处在合适的水平；
S205维持模拟开关电路的模拟开关状态和反馈电阻不变。
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