[12]发明专利申请公布说明书
[21]申请号200810035972.9
[51]Int.CI.
G01V 8/12 (2006.01)H03K 17/795 (2006.01)
[43]公开日2008年9月24日[22]申请日2008.04.11[21]申请号200810035972.9
[71]申请人上海科勒电子科技有限公司
地址201206上海市浦东新区金桥出口加工区金
滇路18号E幢[72]发明人陈伟根 陈国锋 刘兴岩 张剑
[11]公开号CN 101271163A
[74]专利代理机构上海和跃知识产权代理事务所
代理人赵刚
权利要求书 4 页 说明书 9 页 附图 3 页
[54]发明名称
红外感应装置及其方法
[57]摘要
本发明公开了一种红外感应装置及其方法，其中该感应装置包括：红外发射单元，其将电信号转换成光信号并可发射至少两种不同强度的光信号。红外接收单元，其接收上述光信号并转换成电信号并输出。电流/电压增益转换单元，其与红外接收单元电性连接，并可对电信号进行至少两种不同增益转换值进行转换放大。转换控制单元，用于选择所述电流/电压增益转换单元的其中之一的增益转换值。采用了本发明红外感应装置及其方法，可实现较好的抗干扰和低功耗效果。
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权 利 要 求 书
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1.一种红外感应装置，其特征在于，该感应装置包括： 一红外发射单元(10)，其将电信号转换成光信号并可发射至少两种不同强度的光信号；
一红外接收单元(20)，其接收上述光信号并转换成电信号输出； 一电流/电压增益转换单元(30)，其与红外接收单元(20)连接，并可通过转换控制单元(40)的控制作用对红外接收单元(20)产生的电信号进行至少两种不同增益的转换放大；以及
一转换控制单元(40)，用于选择所述电流/电压增益转换单元(30)其中之一的增益转换值。
2.如权利要求1所述的一种红外感应装置，其特征在于，红外发射单元(10)包括：一红外发射管(IRS)和第一、二发射电阻(R9、R10)，且每个发射电阻的一端与红外发射管(IRS)相连，另一端与三极管(VT1、VT2)的集电极相连，三级管(VT1、VT2)的基极分别由主电路的控制信号(IRS1、IRS2)控制。
3.如权利要求1所述的一种红外感应装置，其特征在于，红外接收单元(20)包括：至少一个一维PSD红外光电位置传感器，其用于等效成两个红外接收管(IR1、IR2)。
4.如权利要求3所述的一种红外感应装置，其特征在于，电流/电压增益转换单元(30)包括：运算放大器(A1、A2)，其反向输入端与红外接收管(IR1、IR2)的正极相连，运算放大器(A1、A2)的外围电路有反馈电阻(R3、R4)、滤波电容(C1、C2)，以及可选择并入的第一、二反馈电阻(R5、R6)。
5.如权利要求4所述的一种红外感应装置，其特征在于，其包括一分压电路(50)，该电路包括：与电源VCC相连的第一分压电阻(R1)，一端与第一分压电阻(R1)串联而另一端与地相连的第二分压电阻(R2)，运算放大器(A1、A2)的正向输入端与第一、二分压电阻(R1、R2)的分压点相
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连。
6.如权利要求4所述的一种红外感应装置，其特征在于，所述转换控制单元(40)至少包括一电子模拟开关，其包括E端、Z端和Y端，其中Y端和运算放大器(A1/A2)的输出端(CH1/CH2)相连，Z端与分压电阻(R5/R6)的一端相连，当E端电平为高时，Z端和Y端为通路连接，当E端电平为低时，Z端和Y端为断路连接。
7.如权利要求4所述的一种红外感应装置，其特征在于，电流/电压增益转换单元(30)中的第一、二反馈电阻(R5、R6)的阻值范围为330k-500k欧姆。
8.如权利要求2所述的一种红外感应装置，其特征在于，红外发射单元(10)中第一发射电阻(R9)的阻值范围为22-50欧姆，第二发射电阻(R10)的阻值范围为2-6欧姆。
9.一种红外感应方法，其特征在于，其包括：
S1：在没有红外发射前，采集背景干扰并转成一基准电信号，并判断基准电信号有无抖动；如基准电信号发生抖动则判断为有干扰，进入S2； S2：选择强红外光发射电路，进行强发射；
S3：接收强红外光并转换成电信号，以第二增益转换值转换放大电信号，其中放大电信号的动作通过电流/电压增益转换实现。
10.如权利要求9所述的一种红外感应方法，其特征在于，其进一步包括：
S1：在没有红外发射前，采集背景干扰并转成一基准电信号，并判断基准电信号有无抖动；如基准电平有抖动则判断为有干扰，进入S2；如基准电信号无抖动则判断为无干扰，进入S4；
S4：比较上一次接收到的电信号值和一预设定值的大小，若大于设定值，
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则进入S5；若小于设定值，则进入S6；
S5：选择弱红外光发射电路，进行弱发射，并以第一增益转换值放大电信号，同时储存本次电信号值，以供下一次红外发射电路选择参考； S6：选择强红外光发射电路，进行强发射，以第一增益转换值放大电信号，同时储存本次电信号值，以供下一次红外发射电路选择参考。 11.如权利要求10所述的一种红外感应方法，其特征在于，其进一步包括：其中S4中，初始状态下，可选择强红外发射电路。 12.一种红外感应方法，其特征在于，其包括：
S1：在没有红外发射前，采集背景干扰并转成一基准电信号，微控制器MCU判断基准电信号有无抖动。如基准电信号无抖动则判断为无干扰，进入S4；
S4：比较上一次电信号值和一预设定值的大小，若大于设定值，则进入S5；若小于设定值，则进入S6；
S5：选择弱红外发射电路，并以第一增益转换值放大电信号，同时储存本次电信号值，以供下一次红外发射电路选择参考；
S6：选择强红外发射电路，并以第一增益转换值放大电信号，同时储存本次电信号值，以供下一次红外发射电路选择参考。
13.如权利要求12所述的一种红外感应方法，其特征在于，其进一步包括：其中S4中，初始状态下，可选择强红外发射电路。
14.如权利要求12或13所述的一种红外感应方法，其特征在于，其进一步包括：
S1：在没有红外发射前，采集背景干扰并转成一基准电信号，判断基准电信号有无抖动。如基准电平有抖动则判断为有干扰，进入S2； S2：选择强红外光发射电路，进行强发射；
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S3：接收强红外光并转换成电信号，并以第二增益转换值转换放大电信号输出，第二增益转换值小于第一增益转换值。
15.如权利要求14所述的一种红外感应方法，其特征在于，第一增益转换值所对应的反馈电阻阻抗值为5.1M欧姆左右，第二增益转换值所对应的反馈电阻阻抗值为300k欧姆左右。
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说 明 书
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红外感应装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种红外感应装置及其方法，尤其涉及应用在卫浴器具中判断人体红外感应的装置及其方法。背景技术
随着节能环保的要求在人们的日常生活中日益突出，在商场、宾馆、饭店、展览馆等场所早已经大量的使用高效节能并且寿命长的节能灯、荧光灯代替最原始的普通白炽灯。但是由于节能灯和荧光灯现都大量使用电子式镇流器，电子镇流器本身会带来很大的电磁干扰，电磁波通过电磁效应会转换为相应波长的光波，容易造成配有红外感应装置的电器操作失灵，这个问题已经长期困扰诸多电器产品功能的使用。
因此对于安装在这些场所的公共厕所中的红外感应装置，不可避免得会受到各种光的干扰，容易产生误动作，从而也会造成水资源的浪费。 现有对于防止灯干扰的技术也有很多，比如在红外接收部分采用滤光透镜技术和偏振光技术等等。但是这些技术都还只是建立在减弱干扰的基础上，但是同时也会减弱本身需要接收的红外光线部分，而影响产品本身的信号采样测距准确性。
另外，现有技术中红外感应装置一般都采用干电池供电，如果红外感应装置的功耗较高，则会发生需要经常更换电池以保证红外感应装置正常工作，给使用带来了极大的不便，因此，如何解决高功耗也成为了红外感应装置所迫切需要解决的问题。
综上所述，有必要设计一种性能优良的感应装置来克服现有的缺陷与不足。
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发明内容
本发明的目的在于提供一种性能优良的红外感应装置及其方法。 本发明提供了一种红外感应装置，包括红外发射单元，其将电信号转换成光信号并可发射至少两种不同强度的光信号。红外接收单元，其接收上述光信号并转换成电信号并输出。电流/电压增益转换单元，其与红外接收单元连接，可对电信号进行至少两种不同增益的转换放大。转换控制单元，用于控制所述电流/电压增益转换单元的增益转换值。
进一步地，红外发射单元包括：一红外发射管IRS，第一、二发射电阻R9、R10的一端分别与红外发射管IRS的负极相连，另一端分别与红外发射控制三极管VT1和VT2的集电极相连。而三级管的是通过基极由主电路的IRS1和IRS2网络控制其是否导通。这样，微控制器MCU可以通过VT1/VT2选择不同的发射电阻串入红外发射电路，以达到控制发射电流，调节功耗的目的。另外MCU也可以通过PWM方式控制红外发射的功耗。
更进一步地，红外接收单元包括：至少一红外PSD接收管，其用于等效成两个红外接收管IR1、IR2。
优选地，电流/电压增益转换单元包括：运算放大器A1、A2，其反向输入端与红外接收管IR1、IR2的正极相连，和与运算放大器A1、A2配合的反馈电阻R3、R4，滤波电容C1、C2，以及可选择并入的反馈电阻R5、R6。 进一步地，该装置包括一分压电路，该电路包括：与电源VCC相连的第一分压电阻R1，一端与第一分压电阻R1串联而另一端与地相连的第二分压电阻R2，运算放大器A1的正向输入端与第一、二分压电阻R1、R2的分压点相连。
进一步地，转换控制单元至少包括一电子模拟开关，其包括E端、Z端和Y端，其中Y端和运算放大器A1的输出端CH1相连，Z端与反馈电阻R5的一端相连，当E端电平为高时，Z端和Y端为通路连接，当E端电平为低时，Z端和Y端为断路连接。
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更进一步地，电流/电压增益转换单元中反馈电阻R5、R6的阻值范围为330k-500k欧姆。
优选地，红外发射单元中第一发射电阻R9的阻值范围为22-50欧姆，第二发射电阻R10的阻值范围为2-6欧姆。
本发明另外一个方面提供了一种红外感应方法，其包括： S1：在没有红外发射前，红外接收单元采集背景干扰并转成一基准电信号，MCU判断基准电信号有无抖动。如基准电信号有抖动则判断为有干扰，进入S2；
S2：红外发射单元选择强红外光发射电路，红外发射单元进行强发射； S3：红外接收单元接收强红外光并转换成电信号，MCU控制转换控制单元以第二增益转换值转换放大电信号，其中放大电信号的动作则通过电流/电压增益转换单元来执行。
进一步地，还包括：S1：在没有红外发射前，采集背景干扰并转成一基准电信号，并判断基准电信号有无抖动；如基准电平有抖动则判断为有干扰，进入S2，如基准电信号无抖动则判断为无干扰，进入S4；
S4：比较上一次接收到的电信号值和一预设定值的大小，若大于设定值，则进入S5；若小于设定值，则进入S6；
S5：选择弱红外光发射电路，进行弱发射，并以第一增益转换值放大电信号，同时储存本次电信号值，以供下一次红外发射电路选择参考； S6：选择强红外光发射电路，进行强发射，以第一增益转换值放大电信号，同时储存本次电信号值，以供下一次红外发射电路选择参考。 进一步地，还包括：其中S4中，初始状态下，可选择强红外发射电路。 本发明的再一个方面提供了一种红外感应方法，其包括： S1：在没有红外发射前，采集背景干扰并转成一基准电信号，微控制器
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MCU判断基准电信号有无抖动。如基准电信号无抖动则判断为无干扰，进入S4；
S4：比较上一次电信号值和一预设的定值的大小，若大于设定值，则进入S5；若小于设定值，则进入S6；
S5：选择弱红外发射电路，并以第一增益转换值放大电信号，同时储存本次电信号值，以供下一次红外发射电路选择参考；
S6：选择强红外发射电路，并以第一增益转换值放大电信号，同时储存本次电信号值，以供下一次红外发射电路选择参考。
进一步地，还包括其中S4中，初始状态下，可选择强红外发射电路。 进一步地，还包括：S1：在没有红外发射前，采集背景干扰并转成一基准电信号，判断基准电信号有无抖动。如基准电平有抖动则判断为有干扰，进入S2；
S2：选择强红外光发射电路，进行强发射；
S3：接收强红外光并转换成电信号，并以第二增益转换值转换放大电信号输出，第二增益转换值小于第一增益转换值。
进一步地，第一增益转换值所对应的阻抗值为5.1M欧姆左右，第二增益转换值所对应的阻抗值为300k欧姆左右。
与现有技术相比，本发明感应装置及其方法通过可以对接收信号的放大增益进行切换，使感应器的抗干扰性能有所提高；另外，能够针对不同感应环境来切换红外发射强度，实现低功耗。附图说明
图1是本发明红外感应装置的红外发射单元的电路图。
图2是本发明红外感应装置的采用运算放大器的电流/电压增益转换单元的电路图。
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图3是本发明红外感应装置的控制单元中的电子模拟开关的逻辑图。 图4是本发明根据红外感应装置实施的红外感应方法的流程图。 具体实施方式
下面参照附图具体介绍本发明的各种实施例，图中的各类电子元器件都用标准的符号表示。应该指出的是，附图的目的只是便于对本发明具体实施例的说明，不是一种多余的叙述或是对本发明范围的限制，此外，附图没有必要对各元器件型号特别指明。
如图1至图2所示，本发明的红外感应装置包括：一红外发射单元10，其将电信号转换成光信号并发射；一红外接收单元20，其接收光信号并转换成电信号并输出；一电流/电压增益转换单元30，其与红外接收单元20连接，并可对电信号进行至少两种不同增益的转换；以及一转换控制单元40，用于选择所述电流/电压增益转换单元30的其中之一的增益转换值。 红外发射单元10包括：一红外发射管IRS，第一、二发射电阻R9、R10的一端分别与红外发射管IRS的负极相连，另一端分别与红外发射控制达林顿三极管VT1、VT2的集电极相连。其中第一发射电阻R9的阻值范围为22-50欧姆，第二发射电阻R10的阻值范围为2-6欧姆。而三极管的基极是由主电路的控制信号IRS1和IRS2网络由微控制器MCU控制其是否导通(未图示)。这样，MCU可以通过三极管VT1/VT2选择不同的发射电阻串入红外发射电路，通过对第一、二发射电阻R9和R10的不同电阻值选取，也就使红外发射时流过发射管IRS的电流强度有差别，从而发射不同强度的红外信号。这样，可以达到使微控制器MCU(Micro Controller Unit)根据不同感应环境控制红外发射电流以调节功耗的目的。另外，微控制器MCU也可以通过脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)方式控制调节红外发射的功耗。 红外接收单元20包括：一个PSD(Position Sensitive Detector)光电位置检测传感器，其内部可以等效成两个红外接收管IR1和IR2，其负极与电源VCC相连，正极分别与运算放大器A1、A2的反向输入端相连。这样，运
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算放大器A1、A2可以将红外接收管IR1、IR2由接收红外光通过光电效应产生的电流信号转换电压信号。本发明中的PSD红外位置传感器是利用聚焦透镜聚焦红外光，通过俗知的三角形原理来检测反光物体位置，在本发明的具体实施例为一维PSD，检测红外发射轴线方向上的物体位置。同理，也可采用二维PSD。上述两种PSD均通过2个或4个电流值来检测光的入射位置。另外由于PSD具有位置分辨率高、灵敏度、光强和位置同时测量等优点，因此通过PSD能可靠地接收红外发射管IRS所发出的红外信号。
电流/电压增益转换单元30包括：运算放大器A1、A2，其反向输入端与红外接收管IR1、IR2的正极相连，和与运算放大器A1/A2对应配合的外围电路有反馈电阻R3、R4、滤波电容C1、C2，以及在切换增益时可选择并入的第一、二反馈电阻R5、R6。其中第一、二反馈电阻R5、R6的阻值范围为330k-500k欧姆。由此，电流/电压增益转换单元30对红外接收管IR1、IR2输出的光电流信号进行电流-电压转换并放大，从而得到所需要的放大后的两路电压信号CH1、CH2，由于后续电路对CH1、CH2信号的转换方法为现有技术，在此不作阐述。本单元实现了对红外接收信号由微弱电流到电压的转换。本发明通过转换控制电路来选择增益，以解决在出现强干扰时，PSD会产生较高的静态直流信号使得运算放大器饱和而不能工作的问题。 分压电路50包括：一端与电源VCC网络相连的第一分压电阻R1，一端与R1相连而另一端与GND网络相连的第二分压电阻R2，运算放大器A1/A2的正向输入端与第一、二分压电阻R1、R2的分压点相连。本电路的作用是为单电源运算放大器A1、A2提供一个公共的静态参考电压，当然本电路也可以由参考电压源电路替代。
参照图2和图3，转换控制单元40包括两组电子模拟开关GAINCHANGE，第一组开关包括1E端、1Z端和1Y端，其中1Y端和运算放大器A1的输出端CH1网络相连，1Z端与第一反馈电阻R5的一端相连，第一反馈电阻R5的另一端与运算放大器A1的反向输入端相连，当1E端电平为高时，1Z端和1Y端为通路连接，第一反馈电阻R5并入至运算放大器A1的反馈电路中，使运放的增益降低，达到抗干扰的效果。当1E端电平为低
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时，1Z端和1Y端为断路。第二组开关包括2E端、2Z端和2Y端，其中2Y端和运算放大器A2的输出端CH2网络相连，2Z端与第二反馈电阻R6的一端相连，第二反馈电阻R6的另一端与运算放大器A2的反向输入端相连，当2E端电平为高时，2Z端和2Y端为通路连接，第二反馈电阻R6并入至运放A2的反馈电路中，使运放的增益降低，达到抗干扰的效果。当2E端电平为低时，2Z端和2Y端为断路。该电子模拟开关GAIN CHANGE中的2路逻辑电路由主电路MCU通过GAIN1网络和GAIN2网络控制通断工作。而GAIN1和GAIN2信号的高低，是由微控制器MCU通过判断接收的光信号并根据光信号的强弱再确定是否需要使用GAIN1或GAIN2，具体可参照后续方法说明。由此通过转换控制单元40中的电子模拟开关来接入反馈电阻R5、R6，当不接入第一、二反馈电阻R5、R6时，电流/电压增益转换单元30以第一增益转换值(大增益)放大电信号，当接入第一、二反馈电阻R5、R6时，电流/电压增益转换单元30以第二增益转换值(小增益)放大电信号。 在实际使用时，微控制器MCU通过CHAGEGAIN网络控制转换控制单元40进行增益切换的作用是：使感应装置在强干扰下仍然能正常工作。 在实际使用时，微控制器MCU控制红外发射单元10进行状态切换的作用是：一方面，可以保证微控制器MCU采集到有效范围的电信号。另一方面，遇到强反射物体时采用弱发射可以减小发射功耗。
另外参照图4，根据上述红外感应装置来实施的感应方法，其步骤包括： S1：在没有红外发射前，红外接收单元20采集背景干扰并转成一基准电信号，MCU判断基准电信号有无抖动。如基准电平有抖动则判断为有干扰，进入S2，如基准电信号无抖动则判断为无干扰，进入S4；
S2：红外发射单元10选择强红外光发射电路，红外发射单元10进行强发射；
S3：红外接收单元20接收强红外光并转换成电信号，MCU控制转换控制单元40以第二增益转换值转换放大电信号，其中放大电信号的动作则通过
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电流/电压增益转换单元30来执行；
S4：比较上一次电信号值和一预设定值的大小，若大于设定值，则进入S5；若小于设定值，则进入S6；
S5：选择红外发射单元中的弱发射电路，以第一增益转换值放大电信号，并储存本次电信号值，以供下一次发射选择适当的发射红外光强度； S6：选择红外发射单元中的强发射电路，以第一增益转换值放大电信号，并储存本次电信号值，以供下一次发射选择适当的发射红外光强度。 其中S4中，在无干扰的初始状态下，可选择强红外发射电路进行强发射，也可选择弱红外发射电路进行若发射。为保险起见，在本发明一优选的实施方式中，初始状态采用强发射。
其中S4中，预设定值为判别强弱发射的限定值。即在当次选择发射强度时，如果上一次存储的电信号值比该限定值大，可以认为上一次的发射强度已经足够，那么，上一次是强发射，则当次发射就选择弱发射；而上一次发射是弱发射，则当次发射仍选择弱发射。在当次选择发射强度时，如果上一次存储的电信号值比该限定值小，可以认为上一次的发射强度已经不足，那么，上一次是强发射，则当次发射仍选择强发射；而上一次发射是弱发射，则当次发射选择强发射。这样设置，可以保证所采用的发射强度均为合理的发射强度，而避免发生在弱发射状态下已经满足需求的情况下，仍就采用强发射的现象。从而有效降低了功耗。
通过本发明的方法，在发现有干扰的情况下，可单独通过上述步骤中的S1、S2、S3三个步骤来就可以实现强发射和小增益(第二增益)的方法，从而实现较好的抗干扰效果，克服了现有技术中红外感应装置容易受环境干扰而发生误操作等现象。而在没有干扰的情况下，可单独通过上述步骤中的S1、S4、S5、S6四个步骤来根据实际情况，有针对性的对强、弱发射进行切换，同时利用大增益(第一增益)来实现较好的低功耗效果。
其中第一增益转换值大于第二增益转换值，而且第一增益转换值所对应
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的反馈电阻阻抗值为5.1M欧姆左右，第二增益转换值所对应的反馈电阻阻抗值为300k欧姆左右。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
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说 明 书 附 图
图1
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图2
图3
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图4
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