CN208314724U - 一种分时分区红外扫描手势识别电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种分时分区红外扫描手势识别电路，包括主控制芯片（1）、红外驱动电路（2）、红外收发电路（3）和红外检测电路（4）。红外收发电路（3）包括4n对红外发射管和接收管，发射管和接收管在同一平面对称分布。红外发射管分时分区发射周期为10ms、脉冲宽度为100μs的窄脉冲信号，当红外发射/接收管上方有手遮挡时，红外接收管接收到反射回来的信号，阻值发生突变，导致接收管两端电压发生突变，经过微分电路和阈值比较电路输出高电平信号；反之，输出低电平信号。本实用新型公布的电路具有抗干扰能力强、扫描距离大、工作寿命长的优点。
Description
技术领域
本实用新型公开了一种手势识别电路，尤其涉及一种分时分区红外扫描手势识别电路。
背景技术
目前市面上的主要有三种手势识别系统，一种是基于可穿戴的传感器的接触式手势识别系统，利用可以穿戴在身上的加速度计、陀螺仪等传感器，识别手势动作，或者通过采集人体肌电信号分析穿戴者的手势动作，这种系统需要专业的设备，制作成本高，适用范围窄，没有很好的应用性；第二种是基于计算机视觉的非接触式手势识别系统，通过计算机采集视频图像信息，进行手势建模、手势分析和手势识别等计算，这种系统不仅设备成本高，而且要求编程者具有较高的数学建模、模式识别等专业知识，难度大，不易于推广；第三种基于红外手势传感器的非接触式手势识别系统，系统内部有多个高灵敏度的光电二极管和高精度的模数转换器，通过计算多个红外收发管峰值对应的时间差来识别手势，这种系统的成本比较低，但是识别距离较短（10cm左右），而且长时间持续的收发红外光导致设备的损耗比较大，工作寿命短，另外红外扫描的抗干扰能力比较差。
发明内容
针对市面上红外手势识别系统存在的工作寿命短、抗干扰能力差的缺点，本实用新型提出了一种结构简单、成本低、工作寿命较长、抗干扰能力较好的分时分区红外扫描手势识别电路。
本实用新型为了解决以上技术问题，采取技术手段如下：
一种分时分区红外扫描手势识别电路，包括：用于输出脉冲信号的主控制芯片，将主控制芯片输出的脉冲信号放大驱动的红外驱动电路，用于发射和接收红外光信号的红外收发电路，用于检测分析接收的红外光信号的红外检测电路。
所述红外收发电路包括4n对红外发射管和接收管，发射管和接收管在同一平面对称分布，n为自然数。
所述的红外检测电路由模拟开关电路、微分电路和阈值比较电路组成。
在进一步的优选方案中，所述主控制芯片的型号为STM32，包括定时器和计数器，其中定时器用于产生100μs的定时中断，配合计数器计数100次可以实现10ms的周期操作。
在进一步的优选方案中，所述的红外驱动电路包括反相器74HC04和达林顿集成电路ULN2803。
在进一步的优选方案中，所述红外收发电路包括4n对红外发射管和接收管，其中n为1或者2。
在进一步的优选方案中，所述红外收发电路包括4对红外发射管和接收管。
主控制芯片STM32输出周期为10ms、脉冲宽度为100μs的窄脉冲信号，信号传输到反相器74HC04，经反相器74HC04驱动后信号经过达林顿集成电路ULN2803放大成大电流的脉冲信号，红外发射管等间隔的依次发送红外光信号，当红外发射管上方有手遮挡时，红外接收管接收到反射回来的信号，接收管阻值发生突变，导致接收管两端电压发生突变，经过微分电路和阈值比较电路输出高电平信号传送给主控制芯片。反之，当发射管上方没有物体遮挡时，虽然背景环境的光信号存在缓慢变化，但是接收管接收不到明显变化的红外光信号，接收管两端电压基本不变，经过微分电路和阈值比较电路输出低电平信号传送给住控制芯片。
本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比具有的优点如下：
本实用新型公布的电路采用周期性分时分区的红外光扫描技术，只检测正在发光的红外发射管对应的接收管接收到的信号，正确识别手势遮挡的位置，通过计算判断手势的运动方向，克服了多路反射红外光交叉干扰的难点，大大提高了电路的抗干扰性。
利用较大瞬时电流但是占空比极低的窄脉冲信号驱动红外发射管，不仅可以增大手势识别的距离，而且平均电流比较低，减少了红外发射管的损耗，增加使用寿命。
附图说明
图1为本实用新型手势识别电路的结构框图。
图2为本实用新型手势识别电路工作模拟图。
图3为红外收发电路分时分区扫描工作原理图。
图4为本实用新型手势识别电路的工作流程图。
图中，L1-L4为红外发射管，P1-P4为红外接收管。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。
如图1所示，一种分时分区红外扫描手势识别电路，主要由主控制芯片STM32、红外驱动电路、红外收发电路和红外检测电路组成，红外收发电路包括4对红外发射管和接收管。
主控制芯片STM32的输出端分别连接反相器74HC04的输入引脚1、3、5、9，反相器74HC04的输出引脚2、4、6、8分别连接达林顿集成电路ULN2803输入端1、2、3、4，达林顿集成电路ULN2803的输出端15、16、17、18分别连接到红外发射管L1、L2、L3、L4，红外接收管P1、P2、P3、P4连接到控制开关电路，控制开关电路依次连接微分电路和阈值比较电路，阈值比较电路的输出端连接主控制芯片的输入端。
主控制芯片输出的周期性窄脉冲信号进入74HC04和ULN2803组成的放大驱动电路，驱动后得到4路周期性窄脉冲信号，红外发射管等间隔依次发射红外光信号，当发射管上方有物品遮挡时，被反射回来的红外光信号被红外接收管接收，红外接收管的阻值发生突变，导致接收管两端电压发生明显变化，微分电路接收到信号突变传输给阈值比较电路，阈值比较电路输出的高电平信号流入主控制芯片；反之，当红外发射管上方没有物品遮挡时，红外接收管接收不到明显的红外光信号，接收管两顿电压没有明显突变，微分电路和阈值比较电路输出低电平信号流入主控制芯片。
如图2所示，当手势动作从右到左经过4对红外发射/接收管的时候，在移动过程中，依次出现④号对管被遮挡→①③两对管被遮挡→②号对管被遮挡现象，如果要求严格，可以在计算中加上遮挡后离开的顺序条件：④号对管无遮挡→①③两对管无遮挡→②号对管无遮挡。计算先遮挡后无遮挡的顺序，就可以判断手势的运动方向。
针对已知的红外扫描手势识别电路扫描距离短的缺点，本实用新型在主控制芯片和红外收发电路中间串联74HC04和ULN2803组成的红外驱动电路，来实现大电流脉冲信号驱动红外发射管的需要。由于持续的大电流信号会导致红外发射管迅速老化，缩短使用寿命，本实用新型采用了间歇式脉冲波，在短时间内发射电流值很大的窄脉冲信号，红外发射管的瞬时驱动电流可以达到1A左右，但是平均电流约为10ma，这种设计可以极大的增强红外发射功率，增加手势识别距离，但是发射管平均电流比较小，增长了发射管使用寿命。
红外发射光线被手遮挡后反射回红外接收管是一个漫反射现象，当红外发射/接收管分布距离不太远时，容易出现红外光线交叉干扰现象。例如，红外发射管L1发射的红外光线，被遮挡返回后，不仅接收管P1可以接收到反射光，P2、P3、P4也可以接收到部分反射光，这种情况下4个接收管都会有信号输出，造成红外光线交叉干扰，无法正确识别手势遮挡的位置。
为了有效消除红外光线交叉干扰现象，本实用新型采用了分时分区扫描的方法，分时分区扫描作为本技术领域的现有方法，经常被用于消除红外光线交叉干扰。如图3所示，4路红外发射管发射工作周期为10ms、脉冲宽度Tn为100μs的红外光信号，每路发射光占空比为1%（DR=Tn/ Td=1%）。这4路窄脉冲信号相位两两错开1/4 Td经红外发射管发射出去，当某一路红外发射管发射红外光线时，红外检测电路只读取同一路红外接收管的状态，忽略其他几路接收管状态。例如，在T1时刻，红外发射管L1发射红外窄脉冲信号，此时只检测接收管P1是否接受到反射光，而忽视接收管P2、P3、P4的状态。这种设计可以有效消除多路红外光线交叉干扰，提高电路抗干扰能力。
红外发射管发射红外光线的一瞬间，由于红外发射管的驱动电流较大，电路系统总的供电VCC会产生一个小的尖峰脉冲，如果红外接收管偏置电阻直接连接VCC，会导致系统误判该尖峰脉冲为有效输入信号，对后续的信号产生较大影响，因此红外接收管采用了6V独立供电。当反向偏置的红外接收管接收到反射回来的红外光信号后，接收管的阻值发生明显变化，经过一个以LM324为核心的微分电路和阈值比较电路，产生了峰值为12V、脉冲宽度为100μs的矩形脉冲。
在具体的实施例中，如图1所示需要在微分电路和红外收发电路中间串联一个多选一模拟开关电路，用来选择具体检测的红外接收管接收信号。
如图4所示，单片机利用定时器产生100μs的定时中断， 配合计数器计数100次实现10ms的周期操作。在一个10ms的周期内，发射管L1-L4等时间间隔的先后发射周期为10ms、占空比为1%的窄脉冲红外光信号，同时读取正在发光的发射管对应的接收管的信号。为了防止模拟开关电路中开关切换时产生的附带脉冲被误判为接收到的窄脉冲反射光，模拟开关在相邻两次窄脉冲信号发射中间进行切换。例如，计数器计数0时红外发射管L1发射第一路红外光信号，此时模拟开关接通接收管P1,检测P1的电路信号，计数器计数12时，模拟开关切换到接收管P2，计数器计数25时，发射管L2发射第二路红外光信号，以此类推。
单片机接收来自阈值比较电路的信号。如果单片机在发送窄脉冲驱动信号的同时接收到高电平信号，说明该光路上方有手遮挡反光，否则无遮挡。
上面结合附图主要说明了红外收发电路包含4对红外发射管和接受管时本实用新型的工作原理，当n为不等于1的其他自然数，红外收发电路包含4n对红外发射管和接收管时，电路的工作原理与上述内容基本相同，在此就不一一累述。
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细地说明，但是本实用新型并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.一种分时分区红外扫描手势识别电路，其特征在于，包括：
主控制芯片（1），用于输出脉冲信号到红外驱动电路；
红外驱动电路（2），用于将主控制芯片输出的脉冲信号放大后驱动红外收发电路；
红外收发电路（3），用于发射和接收红外光信号；
红外检测电路（4），用于检测分析接收的红外光信号；
其中，所述红外收发电路（3）包括4n对红外发射管和接收管，发射管和接收管在同一平面对称分布，n为自然数。
2.根据权利要求1所述的一种分时分区红外扫描手势识别电路，其特征在于：所述的主控制芯片（1）的型号为STM32，包括定时器和计数器，其中定时器用于产生100μs的定时中断，配合计数器计数100次实现10ms的周期操作。
3.根据权利要求1所述的一种分时分区红外扫描手势识别电路，其特征在于：所述的红外驱动电路（2）包括反相器74HC04和达林顿集成电路ULN2803，主控制芯片输出的窄脉冲信号经反相器74HC04传输到达林顿集成电路ULN2803，达林顿集成电路ULN2803用于将信号放大成大电流脉冲信号并驱动红外收发电路。
4.根据权利要求1所述的一种分时分区红外扫描手势识别电路，其特征在于：所述的红外收发电路（3）包括4n对红外发射管和接收管，其中n为1或2。
5.根据权利要求1所述的一种分时分区红外扫描手势识别电路，其特征在于：所述的红外收发电路（3）包括4对红外发射管和接收管。
6.根据权利要求1所述的一种分时分区红外扫描手势识别电路，其特征在于：所述的红外检测电路（4）由模拟开关电路、微分电路和阈值比较电路组成，红外收发电路中的接收管接收红外光信号，通过模拟开关电路传输到微分电路中，微分电路输出的信号经过阈值比较电路输出高电平或低电平信号传输给主控制芯片。
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| CN111487878A (zh) * | 2019-01-29 | 2020-08-04 | 迪尔阿扣基金两合公司 | 手势控制模块和具有手势控制模块的家用电器 |
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