全文摘要
本实用新型提供一种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，包括手势识别传感模块、MCU模块、电子开关模块、数字音量控制模块和车载音频模块，手势识别传感模块包括FDC2214芯片、电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四，电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四分别连接FDC2214芯片的四个通道，且电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四按照十字形排列。该系统高效、成本低、功耗小、性价比较高，不受无线电、电源、灯光和电机、温湿度、环境噪声等因素的影响，不依赖于使用者佩戴手持设备，无需增加额外的摄像头或光电传感器。
主设计要求
1.一种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，其特征在于：包括手势识别传感模块、MCU模块、电子开关模块、数字音量控制模块和车载音频模块，手势识别传感模块连接MCU模块，MCU模块分别通过数字音量控制模块、电子开关模块连接车载音频模块，手势识别传感模块包括FDC2214芯片、电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四，电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四分别连接FDC2214芯片的四个通道，且电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四按照十字形排列。
设计方案
1.一种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，其特征在于：包括手势识别传感模块、MCU模块、电子开关模块、数字音量控制模块和车载音频模块，手势识别传感模块连接MCU模块，MCU模块分别通过数字音量控制模块、电子开关模块连接车载音频模块，手势识别传感模块包括FDC2214芯片、电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四，电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四分别连接FDC2214芯片的四个通道，且电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四按照十字形排列。
2.如权利要求1所述的基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，其特征在于：电容传感板一、电容传感板二分别连接FDC2214芯片的上下两个通道，电容传感板三和电容传感板四分别连接FDC2214芯片的左右两个通道。
3.如权利要求1所述的基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，其特征在于：数字音量控制模块采用PGA2311音频控制芯片。
4.如权利要求1所述的基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，其特征在于：MCU模块采用STM32F103RCT6芯片。
5. 如权利要求 1-4任一项所述的基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，其特征在于：电子开关模块采用光耦和PMOS管组合电路，光耦和PMOS管组合电路包括光耦和PMOS管，光耦采用PC817光耦，PMOS管采用AO4435PMOS管，光耦的输入端连接MCU的IO口，光耦的输出端与PMOS管的栅极G相连；PMOS管的源极S连接12V输入电压，PMOS管的源极S还通过电阻R连接光耦的输出端，PMOS管的漏极为输出端并连接车载音频模块。
6.如权利要求1-4任一项所述的基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，其特征在于：电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四分别设于绝缘材料板上，绝缘材料板上设有液晶显示屏，电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四均设于绝缘材料板与液晶显示屏之间。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及一种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统。
背景技术
人机交互技术已成为当今重大科学技术之一，目前手势识别技术广泛应用于各个领域，如智能家居、汽车制造、机械控制、计算机输入设备、娱乐设备、医疗电子、可穿戴设备等等。“手势”在人机交互中，具有生动、形象直观的优点，在智能化设备中具有重要应用价值。但现有的手势识别方案大多依赖于使用者持有手持端、穿戴相关设备或通过其他诸如光电、摄像头传感进行手势识别，手势识别时，需要使用者做出特定动作或手势，增加操作的复杂度，并不利于在车载音频系统中使用，降低了驾驶的安全性。目前手势识别采用的主要种类为：
第一种，目前手势识别多媒体控制系统的实现大多借助数据手套、摄像头等输入设备，通过测量三维空间人肢体、手势、表情等相关信息，包括静止和运动信息的处理，经过数据处理对比，依赖于摄像头和处理器的灵敏度，可以实现高精度的识别，从而对比分析实现对多媒体设备的控制。
采用数据手套、摄像头等设备进行识别控制的方案主要有三方面不足：
其一，识别率依赖摄像头和处理器的性能，在保证高精度的识别控制的前提下，需要的硬件设备成本高，算法复杂；
其二，采用摄像头检测其识别度依赖车内光线明亮程度，在光线充足的情况下识别度较高，光线较暗的情况下错误率较高；
其三，摄像头、处理器精度的提高会进一步增加耗能，可能会引起发热发烫的情况。
第二种，使用红外对管做输入输出信号，利用单片机等MCU模块控制并检测和处理信号的方案，如ELMOS推出的汽车级多用途红外传感器IC-E909.6，可以实现手势的检测和识别，通过MCU模块将采集到信号通过处理后用红外或其他方式传送出去从而实现控制多媒体设备。
ELMOS红外对管实现识别控制的方案主要存在以下不足，第一：识别精度取决于红外管的性能，一对红外对管有一个出现问题，系统则陷入崩溃状态无法正常工作；第二：红外对管受光强影响较大，对周围环境光和红外光敏感，识别精度差，可能会影响系统的稳定性和性能。
第三种，基于HALIOS(High Ambient Light Independent Optical System)技术，可以有效的抵抗外部环境光干扰。周立功单片机科技有限公司基于E909.06推出了GS100-x系列手势检测模块，该模块采用4个发射LED灯，1个补偿LED灯和一个接收灯，摆脱了穿戴设备的束缚，通过光反射原理进行手势检测，可识别上下左右手势，单击、双击等手势，并将其转换成控制多媒体设备的信号进而控制多媒体设备。后继续推出GS200手势检测模块，进一步提高其性能。
GS200系列手势检测模块采用LED光反射原理，只能实现四种手势的识别和处理，产品固化，如有更强大的用户需求则无法迭代开发，在此GS200模块上无法通过简单的叠加实现更多的功能。
上述问题是在手势控制车载音频处理系统的设计过程中应当予以考虑并解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统解决现有技术中存在的传统车载多媒体设备手势识别设备成本高、功耗大等缺点的问题。
本实用新型的技术解决方案是：
一种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，包括手势识别传感模块、MCU模块、电子开关模块、数字音量控制模块和车载音频模块，手势识别传感模块连接MCU模块，MCU模块分别通过数字音量控制模块、电子开关模块连接车载音频模块，手势识别传感模块包括FDC2214芯片、电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四，电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四分别连接FDC2214芯片的四个通道，且电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四按照十字形排列。
进一步地，电容传感板一、电容传感板二分别连接FDC2214芯片的上下两个通道，电容传感板三和电容传感板四分别连接FDC2214芯片的左右两个通道。
进一步地，数字音量控制模块采用PGA2311音频控制芯片。
进一步地，MCU模块采用STM32F103RCT6芯片。
进一步地，电子开关模块采用光耦和PMOS管组合电路，光耦和PMOS管组合电路包括光耦和PMOS管，光耦采用PC817光耦，PMOS管采用AO4435PMOS管，光耦的输入端连接MCU的IO口，光耦的输出端与PMOS管的栅极G相连；PMOS管的源极S连接12V输入电压，PMOS管的源极S还通过电阻R连接光耦的输出端，PMOS管的漏极为输出端并连接车载音频模块。
进一步地，电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四分别设于绝缘材料板上，绝缘材料板上设有液晶显示屏，电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四均设于绝缘材料板与液晶显示屏之间。
本实用新型的有益效果是：
一、该种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，高效、成本低、功耗小、性价比较高，手势识别传感模块采用基于FDC2214芯片的电容感应方案，不受无线电、电源、灯光和电机、温湿度、环境噪声等因素的影响，不依赖于使用者佩戴手持设备，后期迭代开发简单、易扩展和升级，也无需增加MCU模块处理的负担，以及无需增加额外的摄像头或光电传感器，解决了传统车载多媒体设备手势识别设备成本高，功耗大的缺点。
二、本实用新型中，基于FDC2214芯片的手势识别传感模块实现手势判断，具备直接、高效且基本不受外界光线、环境噪声的影响，符合车载音频系统的控制理念，在使用者做出挥动手势后，能够最小限度的影响安全驾驶，符合人们通常的行为习惯。
三、该种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，无需佩戴或手持设备，无需采集特定手势动作形状仅对使用者手势挥动进行识别，极大地提高了手势识别的便利性和安全性。
附图说明
图1是本实用新型实施例基于电容传感的手势控制车载音频处理系统的说明框图；
图2是实施例中手势识别传感模块的说明示意图；
图3是实施例中液晶显示屏与绝缘材料板的结构示意图；
图4是实施例中电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三、电容传感板四与绝缘材料板的结构示意图；
图5是实施例中手势识别传感模块的电路连接说明示意图；
图6是实施例中MCU模块的电路连接说明示意图；
图7是实施例中电子开关模块的电路连接说明示意图；
图8是实施例中数字音量控制模块的电路连接说明示意图；
其中：1-手势识别传感模块，2-MCU模块，3-电子开关模块，4-数字音量控制模块，5-车载音频模块，6-液晶显示器，7-绝缘材料板；
11-FDC2214芯片，12-电容传感板一，13-电容传感板二，14-电容传感板三，15-电容传感板四。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。
实施例
一种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，如图1和图2，包括手势识别传感模块1、MCU模块2、电子开关模块3、数字音量控制模块4和车载音频模块5，手势识别传感模块1连接MCU模块2，MCU模块2分别通过数字音量控制模块4、电子开关模块3分别控制音频处理系统的音量和开关机，手势识别传感模块1包括FDC2214芯片11、电容传感板一12、电容传感板二13、电容传感板三14和电容传感板四15，电容传感板一12、电容传感板二13、电容传感板三14和电容传感板四15分别连接FDC2214芯片11的四个通道，且电容传感板一12、电容传感板二13、电容传感板三14和电容传感板四15按照十字形排列。
该种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，高效、成本低、功耗小、性价比较高，手势识别传感模块1采用基于FDC2214芯片11的电容感应方案，不受无线电、电源、灯光和电机、温湿度、环境噪声等因素的影响，不依赖于使用者佩戴手持设备，后期迭代开发简单、易扩展和升级，也无需增加MCU模块2处理的负担，以及无需增加额外的摄像头或光电传感器，解决了传统车载多媒体设备手势识别设备成本高，功耗大的缺点。
实施例中，手势识别传感模块1用于负责对用户手势的采集，并将采集的数据传送到MCU模块2；如图6，MCU模块2优选采用STM32F103RCT6芯片。MCU模块2用于负责处理手势识别传感模块1采集的数据，并转化成相应的对开关机和增减音量的控制信号；数字音频音量控制芯片由PGA2311实现对数字音频音量的控制；电子开关用于实现对车载音频模块的开启和关闭；车载音频模块采用音频播放设备。
实施例中，如图2，电容传感板一12、电容传感板二13分别连接FDC2214芯片11的上下两个通道，电容传感板三14和电容传感板四15分别连接FDC2214芯片11的左右两个通道。基于FDC2214芯片11的手势识别传感模块1实现手势判断，具备直接、高效且基本不受外界光线、环境噪声的影响，符合车载车载音频模块的控制理念，在使用者做出挥动手势后，能够最小限度的影响安全驾驶，符合人们通常的行为习惯。进一步地，如图3和图4，电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四分别设于绝缘材料板7上，绝缘材料板7上设有液晶显示屏6，电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四均设于绝缘材料板7与液晶显示屏6之间。电容传感板一、电容传感板二、电容传感板三和电容传感板四四块传感器，分别起到检测上下、左右挥动手势的作用。
实施例中，基于FDC2214芯片11的手势识别传感模块1通过IIC数字方式与MCU模块2连接。电子开关模块3用于车载音频模块的开、关机控制，其控制信号来自于MCU模块2的一个IO端口。当MCU模块2判断出用户做出上下挥动的手势后，通过电子开关模块3控制车载音频模块的开、关机。数字音量控制模块4采用PGA2311音频控制芯片。数字音量控制模块4与MCU模块2是通过SPI串口总线控制方式连接，是一款带静音功能的双声道音量控制模块。整个系统全部基于数字化的传感信号采集到数字化的开、关控制和音量调节控制，因为具有较好的应用前景和应用价值。实施例的基于电容传感的手势控制车载音频处理系统尤其适用于使用者处于驾驶环境下，用户通过定义不同手势触发的功能，实现对车载多媒体设备的控制，如控制音量的增减等等。
实施例通过IIC接口进行配置FDC2214电容传感器，采用FDC2214芯片11，按照十字形排列4个通道的电容传感板，依次分为电容传感板一12、电容传感板二13、电容传感板三14和电容传感板四15的四块电容传感板，其中电容传感板一12在最上方，电容传感板二13在最下方，电容传感板三14在最左边，电容传感板四15在最右边，如图2所示排列。现设定未加任何手势和操作情况下四块电容传感板的电容初始值分别为CA0<\/sub>、CB0<\/sub>、CC0<\/sub>、CD0<\/sub>，且定时自动更新。在一次手势挥动过程中，任一时刻四块电容传感板的电容值为CA<\/sub>、CB<\/sub>、CC<\/sub>、CD<\/sub>，设定ΔCA=<\/sub>CA<\/sub>-CA0<\/sub>，ΔCB=<\/sub>CB<\/sub>-CB0<\/sub>，ΔCC=<\/sub>CC<\/sub>-CC0<\/sub>，ΔCD=<\/sub>CD<\/sub>-CD0<\/sub>。MCU模块2通过分别记录ΔCA<\/sub>、ΔCB<\/sub>、ΔCC<\/sub>、ΔCD<\/sub>出现最大值的时刻tAmax<\/sub>、tBmax<\/sub>、tCmax<\/sub>、tDmax<\/sub>，并对每次过程的tAmax<\/sub>、tBmax<\/sub>、tCmax<\/sub>、tDmax<\/sub>进行排列，模拟出手势挥动的轨迹，然后做出相应的控制指令下发给电子开关或数字音频音量控制芯片。
实施例以开机和关机控制进行说明以下：
如图2和图5，手势识别传感模块1中的FDC2214芯片11的四个通道分别连接电容传感板一12、电容传感板二13、电容传感板三14和电容传感板四15。
当手势从上往下滑动时，电容传感板一12->电容传感板二13两电容板感应到有明显的先后变化，MCU模块2通过FDC2214芯片11读取电容传感板变化数据，MCU模块2控制连接的电子开关处于导通状态，从而打开车载音频模块。
当手势从下往上滑动时，电容传感板二13->电容传感板一12两电容板感应到有明显的先后变化，MCU模块2通过FDC2214芯片11读取电容传感板变化数据，MCU模块2控制连接的电子开关处于关闭状态，从而关闭车载音频模块。
实施例以音量控制进行说明以下：
如图2，手势识别传感模块1中的FDC2214芯片11的四个通道分别连接电容传感板一12、电容传感板二13、电容传感板三14和电容传感板四15。
当手势从左往右滑动时，电容传感板三14->电容传感板四15两电容板感应到有明显的先后变化，MCU模块2通过FDC2214芯片11读取电容传感板变化数据，MCU模块2发送指令给连接的数字音频音量控制芯片，从而增加车载音频模块的音量。
当手势从右往左滑动时，电容传感板四15->电容传感板三14两电容板感应到有明显的先后变化，MCU模块2通过FDC2214芯片11读取电容传感板变化数据，MCU模块2发送指令给连接的数字音频音量控制芯片，从而减小车载音频模块的音量。
实施例中，手势亦可以设置顺时针画圈，逆时针画圈，顺时针画半圈，逆时针画半圈等，实施例中仅以左右，右左，上下，下上四种手势作为说明。
FDC2214芯片11原理简述：TI的FDC2214芯片11系列产品不受来自无线电、电源、灯光和电机等环境噪声的影响。FDC2214芯片11系列每一款器件的大小均为4mm x 4mm小构型化封装，其独特窄频架构可有效消除有害噪声和常见的环境干扰，同时将电容感测的优势带入现今的实际感测应用中。
实施例中，如图7，电子开关模块3用于实现对车载音频模块5的通断电实现开机和关机，电子开关模块3采用光耦和PMOS管组合电路，光耦和PMOS管组合电路包括光耦和PMOS管，光耦采用PC817光耦，PMOS管采用AO4435PMOS管，光耦的输入端连接MCU的IO口，光耦的输出端与PMOS管的栅极G相连；PMOS管的源极S连接12V输入电压，PMOS管的源极S还通过电阻R连接光耦的输出端，PMOS管的漏极为输出端并连接车载音频模块。其中，DC-DC实现12V到5V的转换，供光电耦合器和数字音频音量控制芯片使用，光电耦合器的左下角连接MCU模块2的一个IO口，当MCU模块2的IO输出低电平时，此时光电耦合器输出端导通，P沟道增强型场效应管作为开关，此时栅极点位低于漏极电位，导通，实现车载音频模块的开启。同样，当IO口输出高电平，场效应管截止，实现车载音频模块的关闭。
实施例中，如图8，数字音量控制通过数字音频芯片实现对音量增益的控制，数字音量控制模块4采用PGA2311音频控制芯片，PGA2311音频控制芯片分别连接车载音频模块5的左声道音频输入、右声道音频输入、左声道音频输出和右声道音频输出，MCU模块2对PGA2311的驱动是SPI方式，MCU模块2通过配置PGA2311的寄存器实现音量的调节和静音的控制。音量调节是在使用者做出左右挥动手势后，先由MCU模块2控制读取FDC2214芯片11的传感数据，再对PGA2311的寄存器进行相应的写入配置，从而完成上述音量控制的功能。MCU模块2在其中起到把左右变化的手势转化为音量增减的作用。
实施例还包括电源模块，电源模块分别连接手势识别传感模块1、MCU模块2、电子开关模块3、数字音量控制模块4。
该种基于电容传感的手势控制车载音频处理系统，无需佩戴或手持设备，无需采集特定手势动作形状仅对使用者手势挥动进行识别，极大地提高了手势识别的便利性和安全性。
考虑到实际驾驶过程中驾驶员不会频繁操作车载音频设备，故本实用新型主要针对使用频率最高的开关机和音量调节这两组操作进行设计，通过上下挥动实现车载音频模块的开和关，左右挥动实现对音量增减的控制，以取代当前物理按键操作，极大地提高了驾驶的安全性，如若想要实现更多的手势控制功能，可以适当增加手势识别传感模块1的数量，通过不同电容感应板的排列和组合构成更加丰富功能。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920303150.8
申请日:2019-03-11
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:84(南京)
授权编号:CN209250868U
授权时间:20190813
主分类号:H04R 3/00
专利分类号:H04R3/00
范畴分类:38B;
申请人:南京工程学院
第一申请人:南京工程学院
申请人地址:211167 江苏省南京市江宁科学园弘景大道1号
发明人:索朝举;沈沛雨;徐宁;刘静波
第一发明人:索朝举
当前权利人:南京工程学院
代理人:王素琴
代理机构:32243
代理机构编号:南京正联知识产权代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计