CN208922233U - 一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，包括依次连接的人体手势感应部分、人体手势检测部分和控制部分；人体手势感应部分将感应到的手势信息传递至人体手势检测部分，人体手势检测部分对接收到的手势进行检测，将检测结果的数据信号传递至控制部分，实现对人体手势的识别。该装置成本低、功耗小，实时性强，灵敏度和集成度高。

Description

一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置

技术领域

本实用新型涉及手势识别和人机交互技术领域，具体是一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置。

背景技术

基于电容传感器的人体姿态和手势识别，是实现新一代人机交互系统所不可或缺的一项技术。

手势控制一般可分为接触式手势控制和非接触式手势控制，接触式手势控制包括手机等智能移动终端上使用的触摸屏，用户可以在触摸屏显示界面上进行人机交互。而非接触式手势控制，用户可以无需接触设备即可对设备进行人机交互，其应用日益广泛。通过在设备上安装手势检测装置，实时获取并识别用户的手势控制信号，从而达到良好的人机交互。在一些危险或者由于特殊原因无法直接接触的工业环境（例如高温等），避免了使用者直接接触危险环境，保证了使用者的安全；而在一些公共环境，非接触式的手势控制能将公共电子设备（例如水龙头、电子阅览器等）与使用者隔离，使得公共电子设备能得到安全卫生的使用。

正是基于上述需求，低成本、低功耗、适用于恶劣环境工作与日常环境的非接触式手势识别装置应运而生。非接触式手势识别装置具有低成本、低功耗、环境适应性强、集成度高等特点，非常适合工业环境、日常环境下对机器的非接触控制、是保证使用者安全、保证设备安全的首选控制方案。在人机交互技术迅猛发展的今天，非接触式手势识别必将拥有广泛的发展前景和应用空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，该装置成本低、功耗小，实时性强，灵敏度和集成度高。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，包括依次连接的人体手势感应部分、人体手势检测部分和控制部分；人体手势感应部分将感应到的手势信息传递至人体手势检测部分，人体手势检测部分对接收到的手势进行检测，将检测结果的数据信号传递至控制部分，实现对人体手势的识别；

所述的人体手势感应部分，包括电容感应极板和抗干扰屏蔽线；电容感应极板用于电容感应，两根抗干扰屏蔽线的一端对称地与电容感应极板连接，两根抗干扰屏蔽线的另一端与人体手势检测部分的输入端连接；

所述的人体手势检测部分为FDC2214芯片或FDC系列数字电容式传感器，包括电容传感器芯片、晶振电路、LDO稳压电源和CHA单通道差分接口；CHA单通道差分接口的一端与人体手势感应部分的两根抗干扰屏蔽线的另一端，CHA单通道差分接口的另一端连接至电容传感器芯片的输入引脚，晶振电路由有源晶振输出接口连接至电容传感器芯片的外部参考频率输入引脚，LDO稳压电源连接至电容传感器芯片的电源输入接口提供稳定的3.3V工作电压；

所述的控制部分，包括微处理器、独立按键电路、USB转串口通信电路和显示器；微处理器分别与显示器、独立按键电路、串口通信电路连接，微处理器通过USB转串口通信电路与PC上位机连接以进行数据交互，微处理器还通过数据线连接至人体手势检测部分的电容传感器芯片数据引脚接口进行数据通信。

所述的微处理器，是基于STM32F407VET6芯片的cortex-M4内核的32位嵌入式微处理器，主频可达168MHz，显示器与微处理器的FSMC接口连接。

所述的电容传感器芯片，采用FDC2214数字电容传感器芯片。

所述的晶振电路，采用27MHz四脚有源晶振。

所述的LDO稳压电源，采用AMS1117-3.3 LDO稳压芯片稳压至3.3V。

所述的CHA单通道差分接口，采用电容和电感组成的LC谐振电路。

所述的USB转串口通信电路，采用电平转换芯片CH340及外围元件。

所述的显示器，为4.3寸全彩色TFT液晶屏，分辨率为480*272。

所述的电容感应极板，采用玻纤FR4双面敷铜板，铜层厚度1oz，板形为20cm*20cm正方形。

本实用新型提供的一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，该装置成本低、功耗小，实时性强，灵敏度和集成度高。人体手势感应部分采用屏蔽线，满足装置工作时从连接线窜入的环境噪声，数据处理部分使用了现有的KNN机器学习算法，能在一定距离范围内全方位有效并准确的识别出各种具有鲜明特征值的特定手势。用户体验方面人机交互界面友好，易于操作，手势样本录入学习过程简单。该通过数字电容传感器配合现有软件算法进行特征识别的技术方法可大幅减少制造成本，简化系统部件，并拥有很精准的识别度和广泛的应用场合。

附图说明

图1为非接触式手势识别装置的结构框图；

图2为人体手势感应部分的结构框图；

图3为人体手势检测部分的结构框图；

图4为控制部分的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步阐述，但不是对本实用新型的限定。

实施例：

如图1所示，一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，包括依次连接的人体手势感应部分、人体手势检测部分和控制部分；人体手势感应部分将感应到的手势信息传递至人体手势检测部分，人体手势检测部分对接收到的手势进行检测，将检测结果的数据信号传递至控制部分，人体手势检测部分的检测通道使用一个谐振电路，产生一个固定频率的谐振电流，人体手势感应部分与人体会形成一个宏观上的电容，人体与感应区的接触面积与接触距离均会改变检测通道谐振电流的频率与大小，控制部分不断接收并分析处理人体手势检测部分所传输的信号，提取数据的特征值后即可实现对手势的识别并响应特定手势达到手势控制的效果。实现对人体手势的识别。

用户还可以通过在感应区做出不同的手势，提前让设备学习并储存好特定手势，从而使得设备可以识别用户自定义的特殊手势，并对不同的设备做出不同的响应。

如图2所示，所述的人体手势感应部分，包括电容感应极板和抗干扰屏蔽线；电容感应极板用于电容感应，两根抗干扰屏蔽线的一端对称地与电容感应极板连接，两根抗干扰屏蔽线的另一端与人体手势检测部分的输入端连接，屏蔽线外壳接地以起到抗干扰作用；

如图3所示，所述的人体手势检测部分为FDC2214芯片或FDC系列数字电容式传感器，包括电容传感器芯片、晶振电路、LDO稳压电源和CHA单通道差分接口；CHA单通道差分接口的一端与人体手势感应部分的两根抗干扰屏蔽线的另一端，CHA单通道差分接口的另一端连接至电容传感器芯片的输入引脚，晶振电路由有源晶振输出接口连接至电容传感器芯片的外部参考频率输入引脚，LDO稳压电源连接至电容传感器芯片的电源输入接口提供稳定的3.3V工作电压；

如图4所示，所述的控制部分，包括微处理器、独立按键电路、USB转串口通信电路和显示器；微处理器分别与显示器、独立按键电路、串口通信电路连接，微处理器通过USB转串口通信电路与PC上位机连接以进行数据交互，微处理器还通过数据线连接至人体手势检测部分的电容传感器芯片数据引脚接口进行数据通信。独立按键电路采用四个机械轻触按键连接至微处理器外部中断线进行按键检测，以达到良好的响应率，功能包括模式切换、学习对象选择、光标选择、动作确定。

所述的微处理器，是基于STM32F407VET6芯片的cortex-M4内核的32位嵌入式微处理器，主频可达168MHz，可充分利用其快速高效的硬件资源和处理速度进行数据分析，USB转串口通信电路采用CH340进行电平转换以方便调试，可发送中间数据至电脑等终端进行显示；显示器与微处理器的FSMC接口连接。

所述的电容传感器芯片，采用FDC2214数字电容传感器芯片。

所述的晶振电路，采用27MHz四脚有源晶振。

所述的LDO稳压电源，采用AMS1117-3.3 LDO稳压芯片稳压至3.3V。

所述的CHA单通道差分接口，采用电容和电感组成的LC谐振电路。

所述的USB转串口通信电路，采用电平转换芯片CH340及外围元件。

所述的显示器，为4.3寸全彩色TFT液晶屏，分辨率为480*272，TFT液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管，可有效地克服非选通时的串扰使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量，且较大的显示区域便于菜单界面设计。TFT液晶屏利用ILI9341 液晶控制器自带显存，其显存总大小为240*320*18/8，即18位模式（26万色）下的显存量，与微处理器间采用FSMC接口进行并行数据通信。

所述的电容感应极板，采用玻纤FR4双面敷铜板，铜层厚度1oz，板形为20cm*20cm正方形，通过对称硬件布局配合软件算法可实现360度全方位手势识别，识别高度范围为0至2cm。采用高频屏蔽线将其与FDC2214的输入通道连接，并在通道输入端口接地以达到最大程度的屏蔽干扰效果，连接方式采用单通道差分模式，可增大识别样本差，提高灵敏度。

FDC2214数字电容式传感器，包括FDC2214芯片及基本外围器件、稳压电路、采集谐振电路等。FDC2214芯片是面向电容式传感解决方案的抗噪声和EMI、高分辨率、高速、多通道电容数字转换器系列，可对噪声和干扰进行高度抑制，同时在高速条件下提供高分辨率。其内部包含一个前端谐振电路驱动器，经多路复用器后由转化内核输出数字化传感器频率至I2C部件。微处理器通过I2C接口通信进行寄存器配置，使其工作在28位分辨模式，利用最高速率4.08ksps采集，为提高测量精度，采用低温漂外部40M有源晶振提供参考频率。输入谐振电路采用手册推荐标称值，并选用低寄生容抗的屏蔽电感，使其谐振频率范围在0.1kHz到5.1Mhz。系统供电电压+5V，通过LDO AMS1117-3.3进行稳压至3.3V后为FDC2214供电。

Claims (9)

1.一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，其特征在于，包括依次连接的人体手势感应部分、人体手势检测部分和控制部分；人体手势感应部分将感应到的手势信息传递至人体手势检测部分，人体手势检测部分对接收到的手势进行检测，将检测结果的数据信号传递至控制部分，实现对人体手势的识别；

所述的人体手势感应部分，包括电容感应极板和抗干扰屏蔽线；电容感应极板用于电容感应，两根抗干扰屏蔽线的一端对称地与电容感应极板连接，两根抗干扰屏蔽线的另一端与人体手势检测部分的输入端连接；

所述的人体手势检测部分为FDC2214芯片或FDC系列数字电容式传感器，包括电容传感器芯片、晶振电路、LDO稳压电源和CHA单通道差分接口；CHA单通道差分接口的一端与人体手势感应部分的两根抗干扰屏蔽线的另一端，CHA单通道差分接口的另一端连接至电容传感器芯片的输入引脚，晶振电路由有源晶振输出接口连接至电容传感器芯片的外部参考频率输入引脚，LDO稳压电源连接至电容传感器芯片的电源输入接口提供稳定的3.3V工作电压；

所述的控制部分，包括微处理器、独立按键电路、USB转串口通信电路和显示器；微处理器分别与显示器、独立按键电路、串口通信电路连接，微处理器通过USB转串口通信电路与PC上位机连接以进行数据交互，微处理器还通过数据线连接至人体手势检测部分的电容传感器芯片数据引脚接口进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，其特征在于，所述的微处理器，是基于STM32F407VET6芯片的cortex-M4内核的32位嵌入式微处理器，显示器与微处理器的FSMC接口连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，其特征在于，所述的电容传感器芯片，采用FDC2214数字电容传感器芯片。

4.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，其特征在于，所述的晶振电路，采用27MHz四脚有源晶振。

5.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，其特征在于，所述的LDO稳压电源，采用AMS1117-3.3 LDO稳压芯片稳压至3.3V。

6.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，其特征在于，所述的CHA单通道差分接口，采用电容和电感组成的LC谐振电路。

7.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，其特征在于，所述的USB转串口通信电路，采用电平转换芯片CH340及外围元件。

8.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，其特征在于，所述的显示器，为4.3寸全彩色TFT液晶屏，分辨率为480*272。

9.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的非接触式手势识别装置，其特征在于，所述的电容感应极板，采用玻纤FR4双面敷铜板，铜层厚度1oz，板形为20cm*20cm的正方形。