Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuereinrichtung zur berührungslosen Steuerung einer Anlage gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemässe Anlage kann vorzugsweise eine sanitäre Anlage, insbesondere ein Urinal, ein Waschtisch oder eine WC-Anlage sein.
Elektronische Steuereinrichtungen dieser Art sind insbesondere bei sanitären Anlagen bekannt. Sie kommen auf diesem Gebiet zusehends mehr zur Anwendung, einerseits im öffentlichen Bereich aus hygienischen Gründen, andererseits generell zur Reduktion des Wasserverbrauchs.
Ein Nachteil der bekannten Steuereinrichtungen dieser Art besteht darin, dass der Erfassungsbereich schlecht definiert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Steuereinrichtung der genannten Art zu schaffen, die nebst einem einfacheren elektrischen und mechanischen Aufbau eine verbesserte Definition des Erfassungsbereichs gestattet und zudem kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Steuereinrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Ein Vorteil der erfindungsgemässen Steuereinrichtung besteht darin, dass Fehlauslösungen vermieden werden, weil die Steuereinrichtung nur innerhalb eines definierten Erfassungsbereichs aktiv ist, indem Tastobjekte ausserhalb dieses Erfassungsbereichs durch eine Hintergrundausblendung unwirksam gemacht werden.
Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemässen Steuereinrichtung ist, dass sie weitgehend unempfindlich auf das Störlicht ist, das beispielsweise von Sparlampen, Leuchtstoffröhren mit Vorschaltgeräten usw. ausgestrahlt wird.
Die erfindungsgemässe Steuereinrichtung eignet sich insbesondere zur Steuerung von Sanitäranlagen. Denkbar sind jedoch auch Anwendungen auf anderen Gebieten.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemässe Steuereinrichtung an einem Urinal,
Fig. 2 eine Darstellung der Intensität eines Signals an einem ersten Empfänger und eines Signals an einem zweiten Empfänger in Abhängigkeit vom Abstand des reflektierenden Objekts zum Sender,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer PSD-Dioden-Schaltung,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit nach der Erfindung, und
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer modifizierten PLL-Schaltung zur Verwendung in der erfindungsgemässen Steuereinheit.
Die Fig. 1 zeigt ein Urinal 14, das an einer Wand 15 befestigt ist. Zur Spülung des Urinals 14 ist dieses an einer Wasserleitung 13 angeschlossen. Mit einem in der Leitung 13 eingebauten Spülventil 12 wird die Spülung aufgrund eines Steuersignals der erfindungsgemässen Steuereinrichtung 34 geöffnet bzw. geschlossen. Die Steuereinrichtung 34 ist beispielsweise hinter einer Abdeckung 7 in einer Nische 35 der Wand 15 untergebracht. Eine elektrische Leitung 36 verbindet eine Steuereinheit 11 der Steuereinrichtung 34 mit dem Spülventil 12.
Die Steuereinrichtung 34 umfasst eine Sendelinse 10, die in einer \ffnung 38 der Abdeckung 7 befestigt ist. Hinter dieser Sendelinse 10 ist ein Sender 6 angeordnet, der über eine Leitung 39 mit der Steuereinheit 11 verbunden ist. Der Sender 6 ist vorzugsweise eine Lichtdiode, die Infrarot-Lichtimpulse erzeugt. Der Energieverbrauch ist hierbei sehr klein, sodass mittels einer hier nicht gezeigten Batterie die Einrichtung etwa zwei Jahre betrieben werden kann. Die Steuereinrichtung 34 umfasst zudem eine Empfangslinse 8, die in einem Abstand zur Sendelinse 10 in einer \ffnung 40 der Abdeckung 7 befestigt ist. Hinter der Linse 8 ist, etwas nach unten versetzt, eine Empfangsvorrichtung 37 angeordnet, die zwei Empfänger 1 und 2 aufweist.
Die Empfänger 1 und 2 können übliche Infrarot-Empfangsdioden sein, die, wie in Fig. 1 gezeigt, in einer zur Abdeckung 7 parallelen Ebene nebeneinander in einem durch die Optik und den gewünschten Erfassungsbereich 31 gegebenen Abstand zum Sender 6 angeordnet sind.
Der Sender 6 sendet gerichtete, von der Wand 15 weggehende Signale 20 aus. Befindet sich nun ein Tastobjekt, z.B. ein Benutzer in einem Erfassungsbereich 31, so erzeugen die Signale 20 auf diesem einen hier nicht näher dargestellten Lichtfleck, der in der Regel diffus reflektiert wird. Die Empfangslinse 8 empfängt einen Anteil 23 dieser diffus reflektierten Strahlung und bildet diese hauptsächlich auf dem zweiten Empfänger 2, zu einem geringeren Teil auch auf dem Empfänger 1 ab.
Befindet sich der Benutzer oder ein sonstiges Tastobjekt gerade an einem bestimmten Grenzpunkt 17, so wird ein Lichtfleck am Benutzer ebenfalls diffus reflektiert, jedoch derart, dass der von der Empfangslinse 8 empfangene reflektierte Strahlungsanteil im Wesentlichen zu gleichen Teilen zum ersten Empfänger 1 und zum zweiten Empfänger 2 gelangt.
Befindet sich nun der Benutzer in einem noch weiter vom Sender 6 entfernten Hintergrund 32, beispielsweise an einem Punkt 16, so wird die von der Empfangslinse 8 abgebildete Strahlung hauptsächlich vom ersten Empfänger 1 empfangen.
Die Kurven S1 und S2 in Fig. 2 zeigen bei der Anordnung gemäss Fig. 1 den Verlauf der Intensität y des Signals am Empfänger 1 bzw. am Empfänger 2 in Abhängigkeit vom Abstand x eines Tastobjektes zum Sender 6. Wie ersichtlich, ist das Signal S1 am Empfänger 1 stärker als das Signal S2 am Empfänger 2, wenn sich das Tastobjekt jenseits des Grenzpunktes 17 befindet. Ist hingegen der Abstand zum Sender 6 des Tastobjektes kleiner als der Abstand des Grenzpunktes 17, so ist umgekehrt auch das Signal S2 am Empfänger 2 stärker als das Signal S1. Durch ein Vergleich der Signale S1 und S2 an beiden Empfängern 1 und 2 kann somit ein Tastobjekt, das sich zwischen dem Grenzpunkt 17 und der Sendelinse 10 befindet, von einem Tastobjekt im Hintergrund 32 unterschieden werden.
Der Grenzpunkt 17 ist dann auch bei relativ dunklen Tastobjekten gut erkennbar, wenn die Signale S1 und S2 voneinander subtrahiert werden. Die Empfangsvorrichtung 37 kann auch mehr als zwei Empfänger bzw. Dioden aufweisen, wenn eine Unterteilung in weitere Bereiche gewünscht ist. Insbesondere kann die Empfangsvorrichtung 37 auch eine Differentialdiode oder eine PSD-Diode (Position Sensitive Diode) in Brückenschaltung sein.
Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Empfangsvorrichtung 37 ist eine PSD-Dioden-Schaltung, die eine handelsübliche PSD-Dioden-Brücke und einen Verstärker 45 umfasst. Die PSD-Dioden-Brücke weist eine sogenannte PSD-Diode 41 und drei Widerstände 42, 43, 44 auf. Die PSD-Diode 41 ist in Fig. 3 als eine Ersatzschaltung dargestellt, die eine Fotodiode und ein Potentiometer umfasst. Die Position des Schwerpunktes des Lichteinfalls symbolisiert dabei die Schleiferstellung.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird der Sender 6 gepulst, um IR-Signale, beispielsweise von 1 bis 500 mu s und 1 bis 500 kHz zu senden. Vorzugsweise weisen jedoch diese IR- Signale eine Breite von ca. 10 mu s bei einer Repetitionsfrequenz von ca. 33 kHz auf. Am Ausgang des Verstärkers 45 erhält man daher eine Wechselspannung Sd.
Die in Fig. 4 dargestellte Steuereinheit 11 umfasst eine an sich bekannte Steuerschaltung 11 min und eine vorgeschaltete Phasensynchronisierungsschaltung 5, die in die Mess-Strecke eingefügt ist, derart, dass sie eingangsseitig mit dem Ausgangssignal Sd der Empfangsvorrichtung 37 beaufschlagt ist und ein Signal Si für den Sender 6 liefert. Die Schaltung 5, die beispielsweise eine modifizierte PLL-Schaltung nach Fig. 5 ist, liefert auch das korrigierte Nutzsignal Sn für die Steuerschaltung 11 min , die daraus ein Steuersignal Sc für die Anlage 12, 13, 14 erzeugt.
Die in Fig. 5 dargestellte modifizierte PLL-Schaltung 5 weist eine PLL-Schleife mit einer spannungsabhängigen Oszillatorschaltung oder VCO-Schaltung 51, einem Phasendetektor 52 und einem Tiefpassfilter 53 auf. Diese PLL-Schaltung 5 umfasst zudem einen eingangsseitig mit dem Ausgangssignal Sd des Verstärkers 45 (Fig. 3) beaufschlagten 90 DEG -Phasenschieber 54, sowie den in Fig. 1 dargestellten Sender 6, der vom Ausgangssignal Si der VCO-Schaltung 51 gesteuert wird. Das Eingangssignal Sn der Steuerschaltung 11 (Fig. 4) kann das Ausgangssignal Sv des Phasendetektors 52 sein. Vorzugsweise wird dazu aber das "Lock Signal" eines Verriegelungssignal-Detektors 55, auch "Lock"-Detektor genannt, verwendet, der eingangsseitig mit dem Ausgangssignal des 90 DEG -Phasenschiebers 54 und mit dem Ausgangssignal des Oszillators 51 beaufschlagt ist.
Das Schaltungsprinzip nutzt die Tatsache, dass die modifizierte PLL-Schaltung 5 auf ihr eigenes VCO-Signal einrastet, wenn dieses um 90 DEG phasenverschoben an seinem Phasendetektor-Eingang anliegt. Wird beispielsweise als Phasenschieber ein einfacher RC-Tiefpass verwendet, dann rastet die PLL-Schaltung auf der Frequenz
EMI8.1
ein.
Wird nun die IR-Mess-Strecke bestehend aus der IR-Sendediode 6, dem diffus reflektierenden Gegenstand G und einer Differentialdiode bzw. die PSD-Schaltung 37, an geeigneter Stelle in den PLL-Schaltkreis integriert, so ergibt sich mit einfachen Mitteln ein hochempfindlicher und sehr störfester IR-Sensor mit Hintergrundausblendung.
Der 90 DEG -Phasenschieber kann z.B. als Verstärker mit Tiefpass-Charakteristik, beispielsweise mit 3dB-Abfall im Bereich zwischen 1 und 500 kHz und 20 dB/Dek, ausgebildet sein.
Vorzugsweise wird der VCO-Verstellbereich durch schaltungstechnische Massnahmen nach dem Stand der Technik derart begrenzt, dass der PLL-Schaltkreis nur im Umfeld der durch den 90 DEG -Phasenschieber definierten Schwingfrequenz einrasten kann. Zusätzlich kann der Verstärker 45 nebst der Tiefpass-Charakteristik im oberen Frequenzbereich zusätzlich eine Hochpass-Charakteristik im unteren Frequenzbereich aufweisen, sodass er in vorzüglicher Weise geeignet ist, nicht nur das Störlicht zu unterdrücken, das beispielsweise von Sparlampen, Leuchtstoffröhren mit Vorschaltgeräten usw. ausgestrahlt wird, sondern auch die Signalkomponenten, die von einer Konstantlichtquelle und/oder von niederfrequenten IR-Störsignalquellen, z.B. die 100 Hz IR-Störsignale von Glühlampen ausgestrahlt werden. Diese Signalkomponenten könnten ansonst den Verstärker 45 übersteuern.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Steuereinrichtung besteht darin, dass der PLL-Schaltkreis nur einrasten kann, wenn der Signalpfad der IR-Mess-Strecke nicht unterbrochen, bzw. wenn dort ein diffus reflektierender Gegenstand vorhanden ist.
Die Hintergrundausblendung ergibt sich dadurch, dass die Einrastbedingung für den PLL-Schaltkreis infolge des begrenzten VCO-Verstellbereiches innerhalb der IR-Mess-Strecke keine wesentliche zusätzliche Phasendrehung erlaubt. Denn bei einem Gegenstand im Hintergrundbereich beträgt die Phasendrehung der Brückenschaltung etwa 180 DEG , sodass der PLL-Schaltkreis dort nicht einrasten kann. Demgegenüber ist bei einem sich im Vordergrundbereich befinden den Gegenstand die Phasendrehung ungefähr 0 DEG , sodass der PLL-Schaltkreis in jedem Fall einrastet.
Die gesamte PLL-Schaltung inklusive "Lock"-Detektor wird vorzugsweise in eine sogenannte IC-Schaltung (Integrated Circuit) integriert.
The invention relates to an electronic control device for the contactless control of a system according to the preamble of claim 1.
The system according to the invention can preferably be a sanitary system, in particular a urinal, a washstand or a toilet system.
Electronic control devices of this type are known in particular in the case of sanitary facilities. They are increasingly being used in this area, on the one hand in the public area for hygienic reasons, and on the other hand generally to reduce water consumption.
A disadvantage of the known control devices of this type is that the detection area is poorly defined.
The invention has for its object to provide an electronic control device of the type mentioned, which in addition to a simpler electrical and mechanical structure allows an improved definition of the detection area and is also inexpensive to manufacture.
This object is achieved by a control device with the features specified in the characterizing part of patent claim 1.
An advantage of the control device according to the invention is that false triggers are avoided because the control device is only active within a defined detection area, in that touch objects outside this detection area are rendered ineffective by background suppression.
An additional advantage of the control device according to the invention is that it is largely insensitive to the stray light which is emitted, for example, by energy-saving lamps, fluorescent tubes with ballasts, etc.
The control device according to the invention is particularly suitable for controlling sanitary facilities. However, applications in other areas are also conceivable.
Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. It shows:
1 schematically shows a control device according to the invention on a urinal,
2 shows the intensity of a signal at a first receiver and a signal at a second receiver as a function of the distance of the reflecting object from the transmitter,
3 is a block diagram of a PSD diode circuit,
Fig. 4 is a block diagram of a control unit according to the invention, and
5 shows a block diagram of a modified PLL circuit for use in the control unit according to the invention.
1 shows a urinal 14 which is attached to a wall 15. For flushing the urinal 14, it is connected to a water pipe 13. With a flush valve 12 installed in the line 13, the flush is opened or closed on the basis of a control signal from the control device 34 according to the invention. The control device 34 is accommodated, for example, behind a cover 7 in a recess 35 in the wall 15. An electrical line 36 connects a control unit 11 of the control device 34 to the flush valve 12.
The control device 34 comprises a transmission lens 10 which is fastened in an opening 38 of the cover 7. A transmitter 6 is arranged behind this transmission lens 10 and is connected to the control unit 11 via a line 39. The transmitter 6 is preferably a light diode that generates infrared light pulses. The energy consumption is very small, so that the device can be operated for about two years using a battery, not shown here. The control device 34 also includes a receiving lens 8, which is fastened at a distance from the transmitting lens 10 in an opening 40 of the cover 7. A reception device 37, which has two receivers 1 and 2, is arranged behind the lens 8, offset somewhat downwards.
The receivers 1 and 2 can be conventional infrared receiving diodes which, as shown in FIG. 1, are arranged next to one another in a plane parallel to the cover 7 at a distance from the transmitter 6 given by the optics and the desired detection area 31.
The transmitter 6 transmits directional signals 20 going away from the wall 15. If there is now a touch object, e.g. If a user is in a detection area 31, then the signals 20 generate a light spot (not shown here in more detail here), which is generally diffusely reflected. The receiving lens 8 receives a portion 23 of this diffusely reflected radiation and images it mainly on the second receiver 2, to a lesser extent also on the receiver 1.
If the user or another touch object is currently at a certain limit point 17, a light spot on the user is also diffusely reflected, but in such a way that the reflected radiation portion received by the receiving lens 8 is essentially equally divided between the first receiver 1 and the second receiver 2 arrives.
If the user is now in a background 32 even further away from the transmitter 6, for example at a point 16, the radiation imaged by the receiving lens 8 is mainly received by the first receiver 1.
In the arrangement according to FIG. 1, curves S1 and S2 in FIG. 2 show the course of the intensity y of the signal at the receiver 1 or at the receiver 2 as a function of the distance x of a touch object from the transmitter 6. As can be seen, the signal is S1 at the receiver 1 stronger than the signal S2 at the receiver 2 when the touch object is beyond the limit point 17. If, on the other hand, the distance to the transmitter 6 of the touch object is smaller than the distance of the limit point 17, conversely the signal S2 at the receiver 2 is also stronger than the signal S1. By comparing the signals S1 and S2 at both receivers 1 and 2, a touch object located between the boundary point 17 and the transmission lens 10 can thus be distinguished from a touch object in the background 32.
The limit point 17 can then be clearly recognized even with relatively dark touch objects if the signals S1 and S2 are subtracted from one another. The receiving device 37 can also have more than two receivers or diodes if a division into further areas is desired. In particular, the receiving device 37 can also be a differential diode or a PSD diode (position sensitive diode) in a bridge circuit.
The receiving device 37 shown schematically in FIG. 3 is a PSD diode circuit which comprises a commercially available PSD diode bridge and an amplifier 45. The PSD diode bridge has a so-called PSD diode 41 and three resistors 42, 43, 44. The PSD diode 41 is shown in Fig. 3 as an equivalent circuit comprising a photodiode and a potentiometer. The position of the center of gravity of the incidence of light symbolizes the position of the grinder.
According to the present invention, the transmitter 6 is pulsed in order to send IR signals, for example from 1 to 500 mu s and 1 to 500 kHz. However, these IR signals preferably have a width of approximately 10 μs at a repetition frequency of approximately 33 kHz. An AC voltage Sd is therefore obtained at the output of the amplifier 45.
The control unit 11 shown in FIG. 4 comprises a control circuit 11 min known per se and an upstream phase synchronization circuit 5, which is inserted into the measuring path in such a way that the output signal Sd of the receiving device 37 is applied to it on the input side and a signal Si for provides the transmitter 6. The circuit 5, which is for example a modified PLL circuit according to FIG. 5, also supplies the corrected useful signal Sn for the control circuit 11 min, which generates a control signal Sc for the system 12, 13, 14 therefrom.
The modified PLL circuit 5 shown in FIG. 5 has a PLL loop with a voltage-dependent oscillator circuit or VCO circuit 51, a phase detector 52 and a low-pass filter 53. This PLL circuit 5 also includes a 90 ° phase shifter 54 to which the output signal Sd of the amplifier 45 (FIG. 3) is applied, and the transmitter 6 shown in FIG. 1, which is controlled by the output signal Si of the VCO circuit 51. The input signal Sn of the control circuit 11 (FIG. 4) can be the output signal Sv of the phase detector 52. Preferably, however, the “lock signal” of a locking signal detector 55, also called “lock” detector, is used for this purpose, which is acted upon on the input side by the output signal of the 90 ° phase shifter 54 and by the output signal of the oscillator 51.
The circuit principle takes advantage of the fact that the modified PLL circuit 5 latches onto its own VCO signal when this is applied to its phase detector input with a phase shift of 90 °. For example, if a simple RC low-pass filter is used as the phase shifter, the PLL circuit snaps to the frequency
EMI8.1
on.
If the IR measuring section consisting of the IR transmitter diode 6, the diffusely reflecting object G and a differential diode or the PSD circuit 37 is integrated at a suitable point in the PLL circuit, a highly sensitive result is obtained by simple means and very interference-free IR sensor with background suppression.
The 90 DEG phase shifter can e.g. be designed as an amplifier with a low-pass characteristic, for example with a 3 dB drop in the range between 1 and 500 kHz and 20 dB / dec.
The VCO adjustment range is preferably limited by circuitry measures according to the prior art in such a way that the PLL circuit can only engage in the vicinity of the oscillation frequency defined by the 90 ° phase shifter. In addition to the low-pass characteristic in the upper frequency range, the amplifier 45 can additionally have a high-pass characteristic in the lower frequency range, so that it is excellently suitable not only for suppressing the stray light that is emitted, for example, by energy-saving lamps, fluorescent tubes with ballasts, etc. , but also the signal components from a constant light source and / or low-frequency IR interference signal sources, eg the 100 Hz IR interference signals are emitted by incandescent lamps. Otherwise, these signal components could overdrive amplifier 45.
Another advantage of the control device according to the invention is that the PLL circuit can only snap in if the signal path of the IR measurement path is not interrupted or if there is a diffusely reflecting object there.
The background suppression results from the fact that the snap-in condition for the PLL circuit does not allow any significant additional phase shift due to the limited VCO adjustment range within the IR measurement path. For an object in the background area, the phase shift of the bridge circuit is approximately 180 °, so that the PLL circuit cannot snap into place. In contrast, in the case of an object in the foreground, the phase shift is approximately 0 °, so that the PLL circuit engages in any case.
The entire PLL circuit including the "lock" detector is preferably integrated in a so-called IC circuit (Integrated Circuit).