翟文盛，成吉聰，于增洋

（山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山東 青島266500）

1 引言

本文針對(duì)手勢(shì)識(shí)別裝置的局限性，采用了TI 公司最新推出的低功耗、低成本、高分辨率的非接觸式電容式傳感器FDC2214 進(jìn)行測(cè)量。

系統(tǒng)在學(xué)習(xí)模式下用右手錄入標(biāo)準(zhǔn)手勢(shì)：剪刀、石頭、布、數(shù)字1—10。在判斷模式下識(shí)別手勢(shì)，當(dāng)人手靠近裝置時(shí)，3 個(gè)極板的電容值會(huì)發(fā)生變化，在STM32 中實(shí)現(xiàn)不同類別手勢(shì)的識(shí)別[1]，最終將手勢(shì)識(shí)別結(jié)果用OLED 屏顯示出來(lái)[2]。

2 測(cè)量原理與方法

2.1 測(cè)量原理

電容位移傳感器的敏感元件是電容器，對(duì)于由兩個(gè)平行金屬板組成的電容器，如果忽略邊緣效應(yīng)，電容值為：

式（1）中：ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A 為極板相互遮蓋面積；D 為兩金屬平行極板間的距離[3-4]；ε0為真空介電常數(shù)；εr為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

由式（1）可知，當(dāng)保持A 和ε不變時(shí)，通過(guò)改變兩金屬極板間的距離D，引起電容值、諧振頻率LC 的變化[3]。

FDC2214 是一個(gè)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以將頻率測(cè)量轉(zhuǎn)換為等效電容，而電容的變化可以轉(zhuǎn)換為通過(guò)匹配測(cè)量電路輸出的電信號(hào)。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文對(duì)兩種不同的方案進(jìn)行了如下比較：①采用雙極板設(shè)計(jì)加層亞克力板設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是兩路數(shù)據(jù)處理方便，缺點(diǎn)是識(shí)別率較低；②采用三極板+雙層有機(jī)玻璃，邊緣用鋁箔封裝的設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是受環(huán)境影響較小，數(shù)據(jù)獲取更全面，特征獲取起來(lái)更方便。

選擇第一種方案，極板設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 極板設(shè)計(jì)圖

2.3 測(cè)量方法

在測(cè)量時(shí)，為了避免電磁干擾對(duì)FDC2214 的影響，采取了物理屏蔽的方法，即將信號(hào)線固定，芯片放在亞克力盒子中，按鍵記錄數(shù)據(jù)。裝置在對(duì)不同類別的手勢(shì)識(shí)別前，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，單片機(jī)將不同類別的手勢(shì)錄入對(duì)應(yīng)的電容數(shù)值，并保存作為參考量。在進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別時(shí)，因手與極板接觸的面積不同，引起的電容變化值也不同[5]，經(jīng)I2C 通信形式傳遞至STM32 單片機(jī)，之后單片機(jī)通過(guò)比對(duì)，并將結(jié)果在OLED 屏上顯示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多手勢(shì)識(shí)別裝置構(gòu)造主要包括電容式傳感器芯片（FDC2214）、外接極板（雙面覆銅極板）、系統(tǒng)控制模塊（STM32F1RCT6 單片機(jī)）、OLED 顯示模塊、LED 指示燈以及電源模塊、電源穩(wěn)壓模塊等。電源（穩(wěn)壓）模塊為系統(tǒng)供電，維持裝置的正常工作。裝置模塊如圖2 所示。

圖2 裝置模塊

3.1 FDC2214 芯片

電容式傳感是一種低功耗、低成本且高分辨率的非接觸式感測(cè)技術(shù)，適用于接近檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別、遠(yuǎn)程液位感測(cè)領(lǐng)域的各項(xiàng)應(yīng)用。電容式傳感系統(tǒng)中的傳感器可以采用任意金屬或?qū)w，因此可實(shí)現(xiàn)高度靈活的低成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電容式傳感應(yīng)用靈敏度的主要限制因素為傳感器的噪聲敏感性，而FDC2214 采用創(chuàng)新型抗EMI 架構(gòu)，即使在高噪聲環(huán)境中也能維持性能不變。在噪聲出現(xiàn)時(shí)，F(xiàn)DC2214 的性能提升約60 倍[6]，在任何環(huán)境下均可實(shí)現(xiàn)基于低成本電容方式的人體和物體感測(cè)。電容式傳感系統(tǒng)中的傳感可以采用任意金屬或?qū)w，該器件支持寬激勵(lì)頻率范圍，可提高系統(tǒng)靈活性[7]。

3.2 顯示模塊

OLED 的SCL 與單片機(jī)的GPIOPB8 連接，SDA 與GPIOPB9 連接。由于本系統(tǒng)的模式顯示文字少，所以，采用0.96 寸OLED 液晶屏，可在最大程度上減小系統(tǒng)體積。同時(shí)OLED 相對(duì)于LCD12864 或TFT 彩屏耗電更低，更加節(jié)約能源，成本更低。

3.3 STM32F103RCT6 單片機(jī)

STM32F4VET6 單片機(jī)的GPIOPC4 引腳與FDC2214 芯片的SCL 相連；GPIOPC3 引腳與FDC2214 芯片的SDA 相連，用以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[8]。

系統(tǒng)原理如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序設(shè)計(jì)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)采用三通道法，對(duì)3 個(gè)極板采樣的電容值進(jìn)行物理取差，數(shù)據(jù)傳入FDC2214 電容傳感器，主控芯片采樣傳感器輸出數(shù)字量，通過(guò)中值濾波和均值濾波的配合去除無(wú)效數(shù)據(jù)。開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)初始化，定時(shí)器中斷循環(huán)采集FDC2214數(shù)據(jù)，通過(guò)掃描按鍵操作切換多級(jí)菜單，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能的切換，判斷功能采用簡(jiǎn)單的選擇算法，將瞬間30 次的掃描檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后與錄入結(jié)果進(jìn)行循環(huán)對(duì)比，返回與錄入結(jié)果差距最小的狀態(tài)。學(xué)習(xí)模式通過(guò)檢測(cè)3 個(gè)通道的數(shù)據(jù)，將多次檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后存儲(chǔ)，供判斷模式進(jìn)行對(duì)比[9]。程序主流程如圖4 所示。

4.2 系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程

裝置識(shí)別手勢(shì)之前，需要錄入一次空值作為基礎(chǔ)初值，該值是對(duì)當(dāng)下環(huán)境的實(shí)時(shí)描述。因?yàn)镕DC2214 芯片對(duì)環(huán)境變化較為敏感、分辨率較高，因此，在不同環(huán)境下各通道外接極板的數(shù)據(jù)接收值會(huì)存在較大差異，導(dǎo)致簡(jiǎn)單常數(shù)通常無(wú)法精準(zhǔn)表示實(shí)時(shí)的環(huán)境狀況。而通過(guò)初值錄入，可在最大程度上避免此類誤差的出現(xiàn)。

圖4 程序流程圖

判斷模式下，芯片通道引出的對(duì)應(yīng)外接極板可監(jiān)測(cè)到因不同手勢(shì)而引起的環(huán)境變化。單片機(jī)將獲得的近百組數(shù)據(jù)，通過(guò)中值濾波和均值濾波的配合，再去除無(wú)效數(shù)據(jù)后，所求得的值即此時(shí)手勢(shì)的特征值，作為工作模式下數(shù)據(jù)比對(duì)的基礎(chǔ)，判斷出手勢(shì)類別，并將結(jié)果顯示在OLED 屏。測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最終采用亞克力板與雙面銅板的結(jié)構(gòu)，亞克力底板打磨防滑紋路，以便更好地支撐和固定亞克力底板。亞克力板中心打孔，信號(hào)線從底部引出，通過(guò)FDC2214 電容的變化來(lái)判斷手勢(shì)類別。通過(guò)設(shè)置，電路能夠自校準(zhǔn)環(huán)境所引起的參數(shù)變化。手勢(shì)識(shí)別測(cè)試結(jié)果如表1 所示。系統(tǒng)裝置實(shí)物如圖

6 所示。

表1 手勢(shì)識(shí)別測(cè)試結(jié)果

圖6 系統(tǒng)裝置實(shí)物圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于嵌入式STM32F1RCT6 芯片的多種規(guī)格紙張測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體性能優(yōu)良，經(jīng)驗(yàn)證能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。今后還要進(jìn)一步完善此系統(tǒng)，使之成為功能更好、更穩(wěn)定的產(chǎn)品。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，進(jìn)一步體現(xiàn)了電容式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)。未來(lái)在人工智能領(lǐng)域、智慧醫(yī)療、3DVR 體感游戲等領(lǐng)域，電容式傳感器將會(huì)有更為廣闊的天地。