IR-Reflexsensor für interaktiven Tisch o.ä.

Nachdem ich selbst Interesse an einem IR-Sensor für eine interaktive Matrix/Tisch habe, erfolgt in diesem Thread mal eine praktische Überprüfung der hier aufgestellten Theorie.

Es ging darum, hinter einem diffusen/satinierten Plexiglas einen "Finderdruck"/"Handauflegen" zu erkennen durch die dadurch erhöhte Reflexion des IR, und zwar unabhängig von Störlicht. Dies sollte durch eine Vergleichsmessung mit und ohne IR-Licht aus dem Sensor geschehen.

Dazu habe ich erst mal einen einfachen IR-Reflexsensor aufgebaut, mit einem IR-Fototransistor (im folgenden der Einfachheit halber "Sensor" genannt) SFH320FA, und 2 850-nm-IR-LEDs - der Sensor hat bei 850 nm ca. 60% seiner Maximalempfindlichkeit, also sollte man die 2 LEDs durch eine 980-nm-LED ersetzen können:

Die LEDs leuchten hier ein bisschen direkt in den Sensor, wenn man das unterbindet, erreicht man einen noch besseren "Kontrast" bei der Auswertung - ich habe das mit Isolierband probiert (wie von Neni vorgeschlagen), aber dadurch kam dann auch weniger Licht "oben" raus, hier gibt es also noch Möglichkeiten zu optimieren (z.B. Fototransistor höher legen).

Hier der äußerst simple Schaltplan, die LEDs werden hier mit ca. 80 mA (gemessen) betrieben:

Ausgewertet wird die Spannung am Kollektor, je mehr IR auf den Sensor trifft, umso kleiner ist diese - die LEDs lassen sich vom µC aus ein- und ausschalten für die zwei Messungen.

Der 22-k-Widerstand ist experimentell ermittelt, so dass sich ein guter Zusammenhang zwischen Helligkeit und Spannung ergibt - hier kann je nach Fototransistor/Gegebenheiten ein anderer Wert nötig ein, die Spannung am Kollektor sollte bei angeschaltetem IR und ohne Störlicht möglichst groß sein, damit man noch genug Spielraum hat, wenn das Umgebungslicht dazu kommt.

Die Situation ist also folgende: eine IR-LED leuchtet von unten/hinten gegen eine Plexiglasscheibe - diese reflektiert schon mal einen Teil des Lichts. Wenn man nun die Hand auf das Plexi legt, sollte ein auswertbar größerer Teil IR reflektiert werden. Dazu kommt das Umgebungslicht als Störfaktor, das sowohl auf den Sensor (der sich neben der IR-LED befindet) trifft wenn keine Hand auf dem Glas liegt, wie auch vermindert, wenn die Hand aufliegt.

Die Idee war nun, zwei Messungen kurz hintereinander duchzuführen, einmal mit eingeschalteter IR-LED, einmal ohne. Das Störlicht sollte also bei beiden Messungen gleich sein (um gepulstes Störlicht "rauszubekommen" kann man auch mehrere Messungen machen und den Durchschnitt bestimmen). Zieht man nun also den Messwert ohne IR-LED von dem mit IR-LED ab, sollte man den selben Wert bekommen, wie wenn das Störlicht gar nicht vorhanden ist.

Dazu addiert sich dann (Lichtströme/Strahlungsleistungen lassen sich ja einfach addieren) bei eingeschalteter IR-LED das vom Plexi reflektierte Licht, dieses ist jedoch konstant, kann also ebenfalls rausgerechnet werden. Wird also noch mehr Licht reflektiert, muss etwas auf dem Plexi sein, das diese zusätzliche Reflektion verursacht. Und das wird dann als "Tastendruck" gewertet.

Hier mal ein Viedo, erst mal der Sensor ohne Plexi drüber, man sieht, dass die Spannung umso weiter sinkt, je näher die Hand am Sensor ist. Dann mit Plexi und IR-Beleuchtung, man sieht, dass die Spannung etwas sinkt, wenn die Hand aufgelegt wird. Die weiße Beleuchtung hat keinen Einfluß, das sind 6 XR-E Q5, das Licht enthält kein IR.

Das Plexi ist "Milchglas" mit recht wenig Transmission, bei satiniertem Plexi oder TrueLED etc. sollten die Ergebnisse noch besser sein. Die Größe des Feldes ist 12 cm x 12 cm, Abstand Plexi-Sensor 5 cm, also durchaus realistische Werte für einen interaktiven LED-Matrix-Tisch.

Kommt Störlicht dazu, sinkt die Spannung natürlich noch weiter, sie ist insgesamt niedriger als bei IR-Beleuchtung, da das Störlicht stärker ist (Halogen-Schreibtischlampe 50 Watt in 40 cm Abstand, sollte ca. ner normalen Wohnzimmerbeleuchtung auf dem Tisch entsprechen). Beim Handauflegen trifft natürlich wieder weit weniger Licht auf den Sensor, aber immer noch mehr, als bei ausgeschalteter IR-LED.

Hier mal ein paar Messwerte, da es "logischer" ist, wenn höhere Spannung höherer Helligkeit entspricht, diesmal über den Kollektorwiederstand gemessen:

Ohne Störlicht:

Ohne IR-LED: 0 Volt (klar, kein IR vorhanden)
mit IR-LED, ohne Hand: 2,00 Volt (die Reflektion vom Plexi, reiner Zufall, dass es genau 2 Volt sind)
mit IR-LED, mit Hand: 2,28 Volt (also deutlich mehr)
mit IR-LED, mit einem Finger in der Mitte: 2,16 Volt

man sieht, dass sogar ein einzelner Finger reicht, um einen spürbaren Unterschied hervorzurufen - das geht aber nur in der Mitte direkt über dem Sensor, das so zu bauen, dass schon ein einzelner Finger im Eck des Feldes reicht, erfordert dann doch noch größeren Aufwand.

Mit Störlicht:

ohne IR-LED, ohne Hand: 1,51 Volt
ohne IR-LED, mit Hand: 0,9 Volt
mit IR-LED, ohne Hand: 3,55 Volt
mit IR-LED, mit Hand: 3,24 Volt

beim Messen mit und ohne LED ergibt sich also folgender Unterschied:

ohne Hand: 3,55 - 1,51 = 2,04 Volt
mit Hand: 3,24 - 0,9 = 2,34 Volt

also, wie in der Theorie, das Störlicht ist eliminiert, man hat wieder die ca. 2 Volt Reflexion vom Plexi, und mit Hand drauf dann mehr.

Zur Auflösung: nimmt man den 10-Bit-ADC, dann teilen sich die 5 Volt durch 1.024, also ein Bit/Wert entspricht dann ca. 4,88 mV - der Unterschied zwischen ohne Hand/mit Hand entspricht hier also 61 "Stufen", das ist genug Spielraum, um eine vernünftige Schwelle festzulegen.

Jetzt fehlt eigentlich nur noch, das Ganze mal an nen µC zu klemmen und per SW auszuwerten - mein Mega8-Board ist leider gerade kaputt (mit dem Bürostuhl drüber gefahren), Tiny2313 hat keinen ADC und Tiny25 kein UART, was die Auswertung erschwert - kommt also noch...

Ebenso wie weitere Versuche mit anderem Plexi (wenn das dann da ist) und noch mehr Fremdlicht, auch mal Tageslicht durch's Fenster mittags etc.

Letztlich soll das dann ein kompakter Sensor (kleine Platine, bzw. Schaltung in eigenes Layout integriert) werden, der einfach 0 oder 1 ausgibt je nach Berührung oder nicht.

Da am Tiny25 insg. 5 Pins frei sind, 3 braucht man schon für Sensor, LED und Ausgang, hatte ich gedacht, die verbleibenden 2 als "enable"-Eingänge zu benutzen, dann könnte man mehrere Sensoren in einer Matrix abfragen.

Andererseits geht das auch mit noch weniger Pins am µC mit nem Schieberegister (mehrere Sensoren abfragen), und dann kann man die 2 freien Pins zum Kalibrieren benutzen: Da die 2 Volt ja nicht fest sind, sondern vom Plexi, Einbau und IR-LED (hier gibt's auch noch Schwankungen) abhängig, muss man jeden Sensor im fertigen Gerät einzeln kalibrieren.

Das hatte ich mir so gedacht: man macht das bei Dunkelheit/IR-freier Beleuchtung. Erst ohne Hand aufgelegt. Man zieht einen Pin auf "low", dann misst der µC mit eingeschalteter IR-LED den Wert am ADC und schreibt ihn in's EEPROM - das ist dann die Reflektion vom Plexi.

Dann legt man die Hand auf, und zieht den anderen Pin auf Low - da wird dann der Wert für Reflektion Plexi + Hand gemessen und gespeichert.

Der µC holt sich dann immer beim Starten diese Werte, rechnet den Durchschnitt aus, das ist dann seine Schwelle zum schalten, also z.B.:

Wert ohne Hand = 740, Wert mit Hand = 760, also wird bei einem Unterschied der Messungen größer als 750 eine Berührung erkannt. Da hat man beim Kalibrieren auch noch Einfluß darauf, legt man beim Kalibrieren nur einen Finger auf, wird das Ganze empfindlicher, aber gibt dann evtl. auch mal "Fehlalarm".

Interessant wäre noch, wie sich eine Temperaturdrift auswirkt - sollte eigentlich so wie das Störlicht keinen Einfluss haben, weil sich ja die Spannungen *insgesamt* verschieben, der *Unterschied* zwischen beiden Messungen aber der selbe ist (solange das alles noch in einem linearen Bereich bleibt).

Da mich einfach mal interessiert hat, was der Sensor so "sieht", habe ich mal einen IR-Filter (blockt alles unter 850 nm) auf die Videokamera, und ein paar Versuche gemacht:

man sieht hier schön, dass es kein so großer Unterschied in der Gesamt-Helligkeit ist mit Hand drauf oder nicht, aber das reicht. Ohne Plexi ist der Unterschied natürlich gewaltig. Was man im Video nicht so ganz sieht, ist, dass die dunkle Hand bei der Szene mit Fremdlicht auch (minimal) heller und dunkler wird, wenn man die IR-LED ein- und ausschaltet.

Und vielleicht noch von Interesse, Bilder mit ESL- und LED-Beleuchtung, mit und ohne Filter auf der Kamera, mit und ohne IR-Beleuchtung vom Sensor - ich war erstaunt, dass das Licht der ESL doch auch ein bisschen IR enthält - bei der LED-Beleuchtung mit Filter auf der Kamera ist's dann zappenduster - das spricht auch dafür, das Wohnzimmer mit LEDs zu beleuchten, wenn man IR-Störfreiheit haben will...

Hier mal ein Update, erst mal was zu gucken, dann die Erklärung:

ich habe nen Kasten gebaut mit Milchglas (Plexi opal 3 mm, ca. 45% Transmission) und Beleuchtung für die weiteren Versuche.

Erst wird nur per Schwelle geschaltet, also IR über einer gewissen Helligkeit schaltet die Beleuchtung ein - das geht schon ganz gut, ist natürlich arg empfindlich gegenüber Fremdlicht.

Danach die Methode mit der Verhältnismessung: Erst wird ohne IR-LED gemessen, dann mit, der zweite Wert vom ersten abgezogen (da mehr IR = kleinerer Wert), dadurch ergibt sich als Differenz rein die Reflektion des IR-Lichts aus dem Sensor. In der Theorie.

Rein das Plexi verursacht eine Differenz von 257, mit Hand aufgelegt ergibt sich eine Differenz von 515 - man kann die Schwelle zum schalten hier also irgendwo zwischen 258 und 514 legen - je höher, desto unempfindlicher, aber auch unempfindlicher gegen Störlicht.

Das sieht man dann auch im Video, dass hier der Sensor weniger stark auf die IR-FB und die Taschenlampe reagiert - aber doch immer noch.

Bei der FB ist der Fall klar: da der Transistor nicht der allerschnellste ist, muss ich zwischen den 2 Messungen etwas warten, und da kann sich das IR-Licht der FB schon wieder geändert haben - bei der Taschenlampe ist es allerdings komisch: ab einer gewissen Schwelle stört Fremdlicht, bei noch stärkerem Fremdlicht wieder nicht, dann spricht der Sensor wieder an, wenn die Lampe ganz nah dran ist.

Da könnte es aber auch schon sein, dass der Sensor den Reflektor der Lampe "sieht" - leuchtet man seitlich auf das Plexi, stört das Fremdlicht nicht mehr...

Auch ohne Plexi stört das Fremdlicht nicht, man sieht, wenn der Fototransistor direkt angeleuchtet wird, spricht der Sensor nicht an, nur wenn man die Lampe so hält, dass das Licht der IR-LEDs in den Transistor reflektiert wird (zum Test noch mal mit ausgeschalteter Taschenlampe).

Nächster Versuch war dann, den Durchschnitt aus 4 Messungen zu nehmen, damit gepulste Störungen sich da rausrechnen - hat auch nicht ganz funktioniert, seltsam ist bei der Sache, dass der Sensor dadurch extrem empfindlich wird - man kann ihn schon mit der Hand in ca. 30 cm Abstand auslösen.

Das kann ich mir nur so erklären, dass der Transistor wohl eine gewisse Zeit braucht, um auf den vollen Kollektorstrom zu kommen - die er hier hat, bei der schnellen Messung jedoch nicht - weil sonst dürfte das ja keinen Unterschied machen, ob ich nun eine Messung nehme, oder den Mittelwert aus 4...

Hier zeigt sich schon ein Problem: Wenn die Messung langsamer wird, dann ist das Teil auch gegen niederfrequentere Störungen empfindlich - das sieht man da, wo der Sensor direkt mit der Taschenlampe angeleuchtet wird: hält man diese ruhig, dann spricht er nicht an, wenn man nur etwas zittert (= kleine Schwankungen in der Helligkeit), dann spricht er an...

Also zurück zu der Methode, dass nur je einmal gemessen wird, in möglichst kurzem Abstand - dafür habe ich dann einen Zähler eingebaut, erst wenn der Sensor 10x hintereinander angesprochen hat, dann wird das als Berührung gewertet - wie man sieht, "rechnet" sich dadurch das gepulste Störlicht der FB komplett raus (man sieht die auch Flackern, weil die Videokamera auch auf IR reagiert..). Dadurch ergibt sich aber auch eine leichte (für den Menschen unmerkbare) Verzögerung, weil ja 20 Messungen gemacht werden müssen, bis eine Meldung erfolgt.

Unten anbei mal die aktuelle SW - oben steht drin, was wo angeschlossen ist, und die 3 Parameter, mit denen man rumspielen kann:

Schwelle: die nötige Differenz der Messungen, ab denen eine aufgelegte Hand erkannt wird
Repeat: Die Zahl der nötigen "positiv"-Meldungen, damit ein Druck erkannt wird
Sample_Freq: Die Geschwindigkeit, mit der gemessen wird, höhere Zahlen = mehr Zeit zwischen den Messungen

das hängt alles voneinander ab: erhöht man die Zahl Repeat, dann wird der Sensor unempfindlicher gegen gepulste Störungen, es dauert aber etwas länger, bis eine Berührung erkannt wird - erhöht man die Sample-Rate, dann wird die Verzögerung wieder kleiner, das ganze aber unempfindlicher, bis es irgendwann gar nicht mher reagiert, weil der Fototransistor nicht mehr mitkommt, usw. - hier gibt's also noch Möglichkeiten zum rumexperimentieren...

ich muss jetzt nur noch schauen wegen dem statischen Fremdlicht - ich kann mir das nur so erklären, dass das in einem gewissen Bereich stört:

So ein Fototransistor hat ja auch ne gewisse Schwelle, ab der er erst anspricht, so wie bei nem normalen Transistor erst mal mind. 0,6 Volt an der Basis anliegen müssen.

Hat man nun etwas Fremdlicht, dann misst der Transistor das bei der ersten Messung trotzdem als "völlig dunkel", weil die Schwelle nicht überschritten wird. - Bei der 2. Messung (mit IR-LED, da empfängt der Transistor auf jeden Fall was) addiert sich dieses Störlicht aber trotzdem zur Messung dazu, die berechnete Differenz stimmt also nicht, weil 0 abgezogen wird, obwohl bei der ersten Messung eigentlich ein Wert größer 0 vorhanden ist.

Dieser Fehler führt dann dazu, dass ab einem gewissen Fremdlichtpegel sich die Differenz der Messungen eben so ergibt, als wenn die Hand aufgelegt wäre - und dadurch ein "Fehlalarm". Ohne Plexi macht das nichts, weil hier die 1. Messung den selben Wert ergibt wie die 2. Messung (es wird ja überhaupt nichts reflektiert).

Kommt das Fremdlicht dann in einen Bereich, wo dieses alleine schon den Transistor durchsteuert und damit einen Wert größer 0 ergibt, dann funktioniert das wieder mit der Differenzberechnung - deswegen geht die Meldung wieder aus, wenn das Fremdlicht noch stärker wird. In dem Video, wenn die Lampe ganz unten ist, spricht der Sensor zwar dann wieder an, aber da muss es so sein, dass er die Reflektion der Taschenlampe erkennt.

Ich habe nun keine Ahnung, wie ich das Problem beheben soll - evtl. anderer Widerstand am Kollektor? - das sollte aber an der minimal möglichen Empfindlichkeit auch nichts ändern..? - Ich kann auch nicht ne andere Schwelle benutzen, wenn die erste Messung Null ist, weil da weiß man dann bei der 2. Messung ja trotzdem nicht, ob der höhere Wert nun von der Hand oder vom Fremdlicht kommt...

eine unelegante Methode wäre, einfach noch eine IR-LED auf Dauer-an leicht in den Sensor leuchten zu lassen, damit diese minimale Fremdlichtschwelle, ab der es nicht mehr stört, immer überschritten ist - das geht natürlich wieder zu Lasten des "Kontrastes", wobei der mit ca. 250 von 1.023 ADC-Werten eh' doch recht hoch ist (bei satiniertem Plexi gewiss noch besser).

Gibt es IR-Fototransistoren mit rausgeführtem Basisanschluß, dass man den da praktisch "vorspannen" könnte...? - Ich brauche halt irgendne Möglichkeit, dass das Teil wirklich "ab Null" linear zu messen anfängt, ohne Schwelle, unterhalb derer er gar nichts "sieht"...

Wie man das ansonsten per SW machen könnte, fällt mir i.M. leider auch nicht ein...

Neni, danke für den Tipp! - kannst Du denn eine empfehlen...? - wie wäre es mit der hier oder doch lieber diese in SMD....?

Ich nehme an (muss mich erst über Fotodioden informieren), je höher der Ip, desto besser...? - die mit dem höheren wäre sogar billiger, halt bedrahtet...

Für den Transistor habe ich keine Angabe einer "Schwelle" im Datenblatt gefunden, aber die Kurven "Fotostrom vs. Strahlungsintensität" gehen erst bei 0,5 µW/qcm los, ich kann mir nun gerade auch nicht vorstellen, ob das viel oder wenig ist...

Ich muss das aber nun erst mal mit nem anderen µC testen, und die Messwerte des ADC mal zum nachschauen an den PC rausschicken - habe nämlich zwischendurch folgenden Versuch gemacht:

Schreibtischlampe daneben gestellt und leicht aufgedreht - bis "gerade angenehm schummrig", da spricht der Sensor dann an.

Noch etwas heller gedreht (gerade hell genug zum lesen ohne größere Anstrengung), dann geht der Sensor wieder aus - spricht aber ganz normal auf die Hand an.

Klar, das ist diese untere Schwelle, da ist es dann gerade so, dass das Fremdlicht bei der Messung ohne IR-LED erstmals registriert wird.

Komisch aber, wenn ich noch heller drehe, dann geht der Sensor wieder an.... - und dann *noch heller* gibt es eine zweite Schwelle, bei der er wieder ausgeht - und ab da ist's dann egal, weiteres Fremdlicht (Schreibtischlampe noch heller, Taschenlampe zusätzlich) stört gar nicht mehr, ab der 2. Schwelle geht das Teil so wie es soll...

EDIT: natürlich, bei der 50-Watt-Halogenlampe in 5 cm Abstand auch nicht mehr, weil da der Fototransistor bereits vom Fremdlicht voll durchgesteuert wird, da bringt die Erhöhung durch das reflektierte Licht auch nichts mehr...

Ohne Plexi drüber spricht der Sensor überhaupt nicht auf die Schreibtischlampe an, egal bei welcher Helligkeit... auf die Hand aber schon, d.h. ohne Plexi funktioniert er *in allen Bereichen* so wie er soll.

Seltsam - k.A. ob das nun mit der Fotodiode besser wird, die Fotostrom-Kurve im Datenblatt ist eigentlich schon linealglatt, k.A. wo nun diese *2. Schwelle* herkommt...? Evtl. ein Fehler in meiner asm-16-Bit-Subtraktion..!?? - da muss ich mal nachforschen... evtl. mache ich das Ganze auch gleich auf 8 Bit, Unterschied im ADC-Wert zwischen Hand da und Hand weg wäre dann immer noch 60, das reicht ja auch...

Hättest Du evtl. eine einfache Schaltung da, wenn man mal davon ausgeht, dass der ADC des Tiny25 hochohmig genug ist, also wie man die Fotodiode dann da dran klemmen müsste ohne OP....?

Ansonsten warte ich mal auf mein bestelltes Muster des satinierten Plexis (das ich letztlich dann auch für das Teil verwenden will), da sollte das alles schon wieder anders aussehen - 45% Transmission ist halt auch nicht wirklich viel, da muss das nun auch nicht unbedingt funktionieren... (geht bei Dir ja auch nicht mit der PVC-Folie)

Und evtl. probiere ich es auch mal mit 2 940-nm-LEDs, je "heller" das gepulste Mess-Licht im Vergleich zum Fremdlicht, umso besser sollte ja auch der Störabstand sein...

Nochmal EDIT: ich werde auch an den Parametern in der SW noch mal schrauben - momentan ist die Schwelle bei 260, also sehr empfindlich, dafür die Messung sehr schnell (= Fototransistor hat wenig Zeit, sich auf das Mess-Licht einzustellen, wenn ich den Wert im Datenblatt richtig verstehe, braucht er da immerhin 7 µs dafür), das Ganze andersrum (also langsamer messen, dafür Schwelle höher setzen), könnte hier auch noch was bringen...

Und nochmal EDIT: sorry, Fehlinformation! - die Schwelle *war* schon recht hoch - habe sie nun mal runter gesetzt, das Teil reagiert jetzt empfindlicher auf die Hand, das ändert aber seltsamer Weise nichts an der Störlichtempfindlichkeit, also das wird auch nicht schlechter dadurch...