CN114356140A - 一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，所述的红外感应悬浮按键包括MCU、红外发射灯、红外接收信号放大电路和红外接收灯，所述的红外发射灯与MCU连接，所述的MCU、外接收信号放大电路和红外接收灯依次连接，所述的方法包括信号采集步骤和按键识别步骤。与现有技术相比，本发明具有可靠性高、抗干扰能力强、灵敏度高等优点。

Description

一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法

技术领域

本发明涉及人机交互领域，尤其是涉及一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法。

背景技术

按键是一种能够让人机交互更简易更实用的装置，经过多年发展及技术沉淀，目前市面按键控制方式分为二大类：接触式和非接触式。接触式为物理按键、薄膜按键、触摸按键等常见控制类型。非接触式是能够实现悬浮的按键方式，非接触式按键主要有电容式悬浮按键、声波式悬浮按键及红外对管反射悬浮按键。

电容式悬浮按键：控制板面大，其结构要求较高。如面板为金属材料，即会失效；声波式悬浮按键：安装结构复杂同时成本高，技术不成熟，稳定性差；红外对管反射悬浮按键：功能单一，精度低，方向性差，易受光的影响；

对比以上三种按键方式，红外对管反射悬浮按键在制造成本上有绝对优势，但易受光干扰的缺点限制了红外对管反射悬浮按键的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种红外感应悬浮按键装置，可靠性高，抗干扰能力强，灵敏度高。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，所述的红外感应悬浮按键包括MCU、红外发射灯、红外接收信号放大电路和红外接收灯，所述的红外发射灯与MCU连接，所述的MCU、外接收信号放大电路和红外接收灯依次连接，所述的方法包括信号采集步骤和按键识别步骤；

所述的信号采集步骤包括：

所述的MCU通过ADC采样周期性计算键值，所述的MCU根据键值计算按键按下阈值Dh和按键抬起阈值Uh；

所述的按键识别步骤包括：

所述的MCU的按键识别状态分为进入态和退出态，所述的进入态分为确定上升态、待确定上升态、确定下降态和待确定下降态；

当键值大于Dh后，所述的MCU进入确定上升态；

所述的MCU处于确定上升态时，将键值的最小值min设为键值平均值K1，并不断更新键值的最大值max，所述的MCU判断是否满足键值小于(max-min)/Da+min，满足时MCU进入待确定下降态，Da为设定值；

所述的MCU处于待确定下降态时，不断更新键值的最小值min，同时判断是否满足键值不大于(max-min)/Db+min且时长大于第一设定时长，Db为设定值，若是则MCU进入确定下降态，否则MCU进入待确定上升态；

所述的MCU处于确定下降态时，不断更新键值的最小值min，同时判断是否满足键值大于(max-min)/Db+min，满足时MCU进入待确定上升态；

所述的MCU处于待确定上升态时，不断更新键值的最大值max，同时判断是否满足键值不小于(max-min)/Db+min且时长大于第二设定时长，若是则MCU进入确定上升态，否则MCU进入待确定下降态；

所述的MCU处于确定上升态时进行计时，当计时达到按键按下时间阈值Td时，判定存在有效按下动作；

所述的MCU处于确定下降态时进行计时，当计时达到按键抬起时间阈值Tu时，判定存在有效抬起动作；

所述的MCU处于进入态时，当键值小于Uh时，所述的MCU进入退出态。

进一步地，所述的周期性计算键值的过程包括：

所述的MCU周期性采集红外接收灯由于光强变化导致的电压变化点V1以及瞬间电压变化经过放大之后的电压点V2，获取V1的发射值S1和背景值B1，以及V2的发射值S2和背景值B2；

根据以下公式计算键值：

键值＝((S1-B1)+(S2-B2))/2。

进一步地，所述的方法还包括按键校准步骤，所述的按键校准步骤包括：

所述的MCU判断是否满足以下条件：

所述的键值增量D大于N*K，且在第三设定时长内键值抖动值持续小于最大键值抖动值K，其中，N为设定比例值；

若是则MCU判定发生有效校准动作，记录此时的键值K2，指示红外感应悬浮按键校准完成。

进一步地，所述的红外感应悬浮按键还包括与MCU连接的指示灯，所述的按键校准步骤还包括：

在红外感应悬浮按键启动之后，所述的MCU获取最大背景值、最大键值抖动值K以及键值平均值K1，并判断最大背景值是否小于设定阈值BH，若是则控制指示灯常亮，否则控制指示灯闪烁；

所述的MCU判定发生有效校准动作时，记录此时的键值K2，并关闭指示灯。进一步地，所述的按键按下阈值Dh和按键抬起阈值Uh的计算公式为：

Dh＝(K2-K1)*P+K1

Uh＝(K2-K1)*N+K1

其中，P为设定比例值。

进一步地，所述的发射值和背景值的获取过程包括：

31)所述的MCU控制红外发射灯开启T1时间，同时设置定时器中断间隔时间为T1，所述的MCU启动红外发射灯，开始ADC采样，实时更新ADC最大值；

32)当T1时间结束后，所述的MCU触发定时器中断，并关闭红外发射灯，同时设置定时器中断间隔时间为T3；

33)当T3时间结束后，所述的MCU触发定时器中断，关闭ADC中断，同时设置定时器中断间隔时间为T4，记此时ADC最大值为发射值；

34)当T4时间结束后，所述的MCU触发定时器中断，开启ADC采样中断，实时更新ADC最大值，同时设置定时器中断间隔时间为T5；

35)当T5时间结束后，所述的MCU触发定时器中断，关闭ADC中断，同时设置定时器中断间隔时间为T6，记此时ADC最大值为背景值；

36)当T6时间结束后，所述的MCU触发定时器中断，一个键值测量周期结束。

进一步地，每个ADC采样中断结束后对ADC采样值进行滑动均值滤波。

进一步地，所述的滑动均值滤波的滑动窗口对应的采样时间段为20ms的倍数。

进一步地，所述的MCU舍弃每次ADC采样中断获取的第一个采样值。

进一步地，所述的方法还包括初始化步骤，所述的初始化步骤在信号采集步骤和按键识别步骤之间进行，所述的初始化步骤包括：

所述的MCU进行系统时钟初始化；

所述的MCU对系统时钟做6分频后得到ADC的时钟12MHZ，配置ADC采样为12bit；

所述的MCU对ADC进行校准，然后关闭ADC中断；

所述的MCU对定时器做72分频后得到1M的时钟，将初始化的定时器中断时间设置为10ms，同时开启定时器中断，初始化完成。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明将MCU的按键识别状态分为进入态和退出态，进入态分为确定上升态、待确定上升态、确定下降态和待确定下降态，通过ADC采样周期性计算键值，根据键值计算按键按下阈值和按键抬起阈值，再根据按键按下阈值和按键抬起阈值控制按键识别状态的逻辑切换，提高了判别按键按下和抬起的准确性，防止误触发或触发不灵敏，可靠性高；

(2)本发明按键校准步骤中，在红外感应悬浮按键启动之后，MCU获取最大背景值、最大键值抖动值K以及键值平均值K1，并判断最大背景值是否小于设定阈值BH，若是则控制指示灯常亮，指示可以进行触摸校准，否则控制指示灯闪烁，表示当前目前环境光太强，不利于校准，根据键值抖动值和键值增量D综合判断是否发生有效校准动作，MCU判定发生有效校准动作时，记录此时的键值K2，并关闭指示灯，通过按键校准步骤，在背景干扰很大时，通过自校准算法可滤除背景干扰，装置正前方有其他物体干扰时，悬浮及手势功能不受影响，有效地解决了红外LED光衰问题，能够达到在阳光下正常触摸识别的效果，解决现有光感方案在阳光下无法正常触摸的弊端，抗干扰能力强；

(3)本发明每个ADC采样中断结束后对ADC采样值进行滑动均值滤波。由于噪声的原因，滑动均值滤波能很好的滤除随机噪声，滑动均值滤波的滑动窗口对应的采样时间段为20ms的倍数，可以有效抑制工频干扰；

(4)本发明MCU舍弃每次ADC采样中断获取的第一个采样值，防止ADC通道切换带来干扰。

附图说明

图1为红外发射灯与红外接收灯工作原理示意图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为光感键值和背景值的获取流程时序图；

图4为按键检测识别主流程图；

图5为按键校准流程图；

图6为按键识别状态图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，如图1，红外感应悬浮按键包括MCU、红外发射灯、红外接收信号放大电路、红外接收灯和指示灯，指示灯为白光LED，指示灯和红外发射灯分别与MCU连接，MCU、外接收信号放大电路和红外接收灯依次连接，如图2，方法包括初始化步骤、信号采集步骤、按键识别步骤和按键校准步骤；

初始化步骤包括：

MCU进行系统时钟初始化，对相应的外设做初始处理，包括ADC初始化和定时器初始化，这两者主要关系到键值采样和背景值采样；

MCU对系统时钟做6分频后得到ADC的时钟12MHZ，配置ADC采样为12bit；

MCU对ADC进行校准，然后关闭ADC中断，目的是在不操作的时候不误触发ADC采样；

MCU对定时器做72分频后得到1M的时钟，将初始化的定时器中断时间设置为10ms，同时开启定时器中断，初始化完成，进入主循环，包括键值和背景值的获取、按键检测、白光LED输出以及与主机的串口/IIC通信。

信号采集步骤包括：

MCU通过ADC采样周期性计算键值，MCU根据键值计算按键按下阈值Dh和按键抬起阈值Uh，按键按下阈值Dh和按键抬起阈值Uh的计算公式为：

Dh＝(K2-K1)*P+K1

Uh＝(K2-K1)*N+K1

其中，P为设定比例值。

周期性计算键值的过程包括：

MCU周期性采集红外接收灯由于光强变化导致的电压变化点V1以及瞬间电压变化经过放大之后的电压点V2，获取V1的发射值S1和背景值B1，以及V2的发射值S2和背景值B2；

根据以下公式计算键值：

键值＝((S1-B1)+(S2-B2))/2。

如图3，发射值和背景值的获取过程包括：

31)MCU控制红外发射灯开启T1时间，同时设置定时器中断间隔时间为T1，MCU启动红外发射灯，开始ADC采样，实时更新ADC最大值(如果新的ADC值大于之前最大值，则更新最大值，否则ADC最大值不变)；

可根据实际结构调整T1值，该值越大对应功耗越大，键值越大，但有一个上限时间T，当开启时间大于T时，键值不再继续增大；

32)当T1时间结束后，MCU触发定时器中断，并关闭红外发射灯，同时设置定时器中断间隔时间为T3；

33)当T3时间结束后，MCU触发定时器中断，关闭ADC中断，同时设置定时器中断间隔时间为T4，记此时ADC最大值为发射值；

ADC采样周期延时T3的目的是为了防止反射量最大值不在T1周期里。当延时T3后，整个ADC采样周期可以包裹测量最大值，从而获取最大的测量值；

34)当T4时间结束后，MCU触发定时器中断，开启ADC采样中断，实时更新ADC最大值，同时设置定时器中断间隔时间为T5；

35)当T5时间结束后，MCU触发定时器中断，关闭ADC中断，同时设置定时器中断间隔时间为T6，记此时ADC最大值为背景值；

间隔T4时间再测量背景的原因是为了排除之前红外发射对噪声的影响；

36)当T6时间结束后，MCU触发定时器中断，一个键值测量周期结束，第二个按键键值测量周期开始，以此类推。

MCU舍弃每次ADC采样中断获取的第一个采样值，防止ADC通道切换带来干扰。

每个ADC采样中断结束后对ADC采样值进行滑动均值滤波。由于噪声的原因，滑动均值滤波能很好的滤除随机噪声。另外滑动窗口对应的采样时间段，应该是20ms的倍数。因为红外感应悬浮按键主要用于家用消费类产品上，由于家用产品一定程度上受到50HZ的工频干扰，滑动均值滤波的滑动窗口对应的采样时间段为20ms的倍数，可以有效抑制工频干扰。

如图5，然后执行按键校准步骤，执行按键校准步骤包括：

在红外感应悬浮按键启动之后，MCU获取最大背景值、最大键值抖动值K以及键值平均值K1，并判断最大背景值是否小于设定阈值BH，若是则控制指示灯常亮，指示可以进行触摸校准，否则控制指示灯闪烁，表示当前目前环境光太强，不利于校准；

校准时，当手指触摸到设备表面后，MCU判断是否满足以下条件：

键值增量D大于N*K，且在第三设定时长Tc内键值抖动值持续小于最大键值抖动值K，其中，N为设定比例值；

若是则MCU判定发生有效校准动作，记录此时的键值K2，指示红外感应悬浮按键校准完成。

MCU判定发生有效校准动作时，关闭指示灯。

按键校准步骤中的K值一方面是为了测量系统的自噪声，另一方面是为了给校准所需要的键值增量做一个基准。

如图4，完成按键校准步骤后进行按键识别步骤，按键识别步骤包括：

如图6，MCU的按键识别状态分为进入态和退出态，进入态分为确定上升态、待确定上升态、确定下降态和待确定下降态；

当键值大于Dh后，MCU进入确定上升态；

MCU处于确定上升态时，将键值的最小值min设为键值平均值K1，并不断更新键值的最大值max，MCU判断是否满足键值小于(max-min)/Da+min，满足时MCU进入待确定下降态，Da为设定值；

MCU处于待确定下降态时，不断更新键值的最小值min，同时判断是否满足键值不大于(max-min)/Db+min且时长大于第一设定时长，Db为设定值，若是则MCU进入确定下降态，否则MCU进入待确定上升态；

MCU处于确定下降态时，不断更新键值的最小值min，同时判断是否满足键值大于(max-min)/Db+min，满足时MCU进入待确定上升态；

MCU处于待确定上升态时，不断更新键值的最大值max，同时判断是否满足键值不小于(max-min)/Db+min且时长大于第二设定时长，若是则MCU进入确定上升态，否则MCU进入待确定下降态；

MCU处于确定上升态时进行计时，当计时达到按键按下时间阈值Td时，判定存在有效按下动作；

MCU处于确定下降态时进行计时，当计时达到按键抬起时间阈值Tu时，判定存在有效抬起动作；

MCU处于进入态时，当键值小于Uh时，MCU进入退出态。

基于本实施例提出的红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，可实现悬浮按键20mm不接触功能操作的需求。

本实施例提出了一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，添加自校准功能，在背景干扰很大时，通过自校准算法可滤除背景干扰，悬浮按键正前方有其他物体干扰时，悬浮及手势功能不受影响，校准方式有效达到了阳光下正常触摸识别的效果，解决现有光感方案在阳光下无法正常触摸的弊端，有效地解决了红外LED光衰问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，其特征在于，所述的红外感应悬浮按键包括MCU、红外发射灯、红外接收信号放大电路和红外接收灯，所述的红外发射灯与MCU连接，所述的MCU、外接收信号放大电路和红外接收灯依次连接，所述的方法包括信号采集步骤和按键识别步骤；

所述的信号采集步骤包括：

所述的MCU通过ADC采样周期性计算键值，所述的MCU根据键值计算按键按下阈值Dh和按键抬起阈值Uh；

所述的按键识别步骤包括：

所述的MCU的按键识别状态分为进入态和退出态，所述的进入态分为确定上升态、待确定上升态、确定下降态和待确定下降态；

当键值大于Dh后，所述的MCU进入确定上升态；

所述的MCU处于确定上升态时，将键值的最小值min设为键值平均值K1，并不断更新键值的最大值max，所述的MCU判断是否满足键值小于(max-min)/Da+min，满足时MCU进入待确定下降态，Da为设定值；

所述的MCU处于待确定下降态时，不断更新键值的最小值min，同时判断是否满足键值不大于(max-min)/Db+min且时长大于第一设定时长，Db为设定值，若是则MCU进入确定下降态，否则MCU进入待确定上升态；

所述的MCU处于确定下降态时，不断更新键值的最小值min，同时判断是否满足键值大于(max-min)/Db+min，满足时MCU进入待确定上升态；

所述的MCU处于待确定上升态时，不断更新键值的最大值max，同时判断是否满足键值不小于(max-min)/Db+min且时长大于第二设定时长，若是则MCU进入确定上升态，否则MCU进入待确定下降态；

所述的MCU处于确定上升态时进行计时，当计时达到按键按下时间阈值Td时，判定存在有效按下动作；

所述的MCU处于确定下降态时进行计时，当计时达到按键抬起时间阈值Tu时，判定存在有效抬起动作；

所述的MCU处于进入态时，当键值小于Uh时，所述的MCU进入退出态。

2.根据权利要求1所述的一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，其特征在于，所述的周期性计算键值的过程包括：

所述的MCU周期性采集红外接收灯由于光强变化导致的电压变化点V1以及瞬间电压变化经过放大之后的电压点V2，获取V1的发射值S1和背景值B1，以及V2的发射值S2和背景值B2；

根据以下公式计算键值：

键值＝((S1-B1)+(S2-B2))/2。

3.根据权利要求2所述的一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，其特征在于，所述的方法还包括按键校准步骤，所述的按键校准步骤包括：

所述的MCU判断是否满足以下条件：

所述的键值增量D大于N*K，且在第三设定时长内键值抖动值持续小于最大键值抖动值K，其中，N为设定比例值；

若是则MCU判定发生有效校准动作，记录此时的键值K2，指示红外感应悬浮按键校准完成。

4.根据权利要求3所述的一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，其特征在于，所述的红外感应悬浮按键还包括与MCU连接的指示灯，所述的按键校准步骤还包括：

在红外感应悬浮按键启动之后，所述的MCU获取最大背景值、最大键值抖动值K以及键值平均值K1，并判断最大背景值是否小于设定阈值BH，若是则控制指示灯常亮，否则控制指示灯闪烁；

所述的MCU判定发生有效校准动作时，记录此时的键值K2，并关闭指示灯。

5.根据权利要求3所述的一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，其特征在于，所述的按键按下阈值Dh和按键抬起阈值Uh的计算公式为：

Dh＝(K2-K1)*P+K1

Uh＝(K2-K1)*N+K1

其中，P为设定比例值。

6.根据权利要求2所述的一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，其特征在于，所述的发射值和背景值的获取过程包括：

31)所述的MCU控制红外发射灯开启T1时间，同时设置定时器中断间隔时间为T1，所述的MCU启动红外发射灯，开始ADC采样，实时更新ADC最大值；

32)当T1时间结束后，所述的MCU触发定时器中断，并关闭红外发射灯，同时设置定时器中断间隔时间为T3；

33)当T3时间结束后，所述的MCU触发定时器中断，关闭ADC中断，同时设置定时器中断间隔时间为T4，记此时ADC最大值为发射值；

34)当T4时间结束后，所述的MCU触发定时器中断，开启ADC采样中断，实时更新ADC最大值，同时设置定时器中断间隔时间为T5；

35)当T5时间结束后，所述的MCU触发定时器中断，关闭ADC中断，同时设置定时器中断间隔时间为T6，记此时ADC最大值为背景值；

36)当T6时间结束后，所述的MCU触发定时器中断，一个键值测量周期结束。

7.根据权利要求6所述的一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，其特征在于，每个ADC采样中断结束后对ADC采样值进行滑动均值滤波。

8.根据权利要求7所述的一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，其特征在于，所述的滑动均值滤波的滑动窗口对应的采样时间段为20ms的倍数。

9.根据权利要求6所述的一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，其特征在于，所述的MCU舍弃每次ADC采样中断获取的第一个采样值。

10.根据权利要求1所述的一种红外感应悬浮按键的按键动作识别方法，其特征在于，所述的方法还包括初始化步骤，所述的初始化步骤在信号采集步骤和按键识别步骤之间进行，所述的初始化步骤包括：

所述的MCU进行系统时钟初始化；

所述的MCU对系统时钟做6分频后得到ADC的时钟12MHZ，配置ADC采样为12bit；

所述的MCU对ADC进行校准，然后关闭ADC中断；

所述的MCU对定时器做72分频后得到1M的时钟，将初始化的定时器中断时间设置为10ms，同时开启定时器中断，初始化完成。

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