CN101304248B - 智能型全自动开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能型全自动开关。该装置由两个相对准的传感头盒和主机组成，传感头盒内分别装有LED，PIN和其驱动及发射电路，红外发光二极管LED采用相互对射方式设置，传感头盒相对的一侧各有两个间隔一个厘米的红外窗口，盒体分别镶嵌在门内或外两侧墙体内，主机内主要装有工作电源，逻辑电路单片机及控制电路。本发明可以替代机械开关来自动控制灯及有关电器，可应用在卫生间、采光不佳的办公室、卧室、宾馆，以及利用光控电源后用在需要有灯光照明的公共厕所中，做到人进灯亮，人走灯灭，极大地方便了用户，且消除了人们关灯不及时等不良习惯给电能带来的不必要浪费，具有结构简单，成本低廉等特点，是节能减排方面的产品。

Description

智能型全自动开关

(一)技术领域

本发明涉及开关自动化属电子设备技术领域，光机电一体化装置。

(二)背景技术

现今人们对灯及其电器的控制主要是机械开关，需要人工去揿动按钮，灯才能打开或关闭。大多数卫生间仍采用这种机械开关控制灯，目前公共厕所灯的控制多采用声控灯，个别也有用基于热释电原理红外传感器，通过接收人体辐射来达到对厕灯的自动控制。而大部分公厕如大专院校、医院、工矿企业、宾馆等公厕对这两种装置并未认可，因而电能浪费很大。

对于声控灯用于公厕特别是户外公厕实在是无奈之举，它虽然起到了一定的节能效果，便利了群众，但这种装置应用于公厕有许多不足，其一、它非自动，而需提供音响，提供的方式不外乎跺脚、拍手或高声喊嚇，这既不雅观又比按电钮开关都有难度。其二、一次用厕需提供几次动作才能为用厕提供全程照明。其三、声控灯误动作比较多特别是户外汽车的轰鸣声、打雷下雨声、工地施工等声音均会导致厕灯启动，从而造成电能一定程度的浪费，所以其应用仅适用个别领域。

基于热释电原理的红外灯全自动人进灯亮，人走灯灭，应该十分理想，但由于受原理及技术上的限制等诸因素，也有许多不足：第一公厕尺寸较大，结构造型复杂时无法使用。第二公厕均有解大手的厕间，进入厕间，人体红外辐射被隔断，不能被红外灯所接收，厕灯即灭，故在人与红外传感器稍远一点距离以及有屏障的情况下，均无法使用。目前据了解美国某些公厕使用一种把声控和红外传感器两种技术结合在一起的装置来控制厕灯，但产品的成本较高，且也有上述提到的种种不足，并不受欢迎。

现实生活中我们希望有这样一种开关：第一它是自动的，不必用手去控制——启动或关闭，第二有人进入房间开关自动接通，人离开时开关自动关闭，即有人时灯亮，无人时灯灭。这样它会在许多部门或领域得到广泛应用，异放光彩。因为它会解决人们由于不方便、缺乏这方面习惯或过一会又要回到该房间、何必自讨苦吃老去开、闭机械开关的麻烦，致使灯在无人时常常是白白的点着。于此有了这种自动开关积少成多会节约大量的能源，且极大的方便了用户，同时电子开关其寿命远大于机械开关，其成本比较低廉。而且避免了手与开关的接触，既卫生又方便。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以替代机械开关，来自动控制灯及有关电器，每当有人进入房间开关自动接通：灯亮；无人时开关自动关闭：灯灭；做到人进灯亮，人走灯灭，极大地方便了用户，且消除了人们关灯不及时等不良习惯给电能带来的不必要浪费，结构简单，成本低廉的智能型全自动开关。

本发明的目的是这样实现的：该装置由两个相对准的传感头盒和主机组成，传感头盒内分别装有LED，PIN和其驱动及发射电路，红外发光二极管LED采用相互对射方式设置，传感头盒相对的一侧各有两个间隔一个厘米的红外窗口，盒体分别镶嵌在门内或外两侧墙体内，主机内主要装有工作电源，逻辑电路单片机及控制电路。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的传感头盒内两只红外发光二极管LED和与相联接的两个集成电路IC₁1、IC₁2构成的红外发射电路，与LED相对应的两只光电二极管PIN，它们分别与两个放大器IC₂3、IC₂4的输入端连接，两个放大器IC₃3、IC₃4的输出端与两个锁定在相应发射频率上的两个频率译码器IC₃5、IC₃6的输入端连接，频率译码器IC₃5的输出端同两个与门9、10的第一输入端连接、两个三与门13、14的第一输入端连接，频率译码器IC₃6的输出端同反相器8的输入端、与门10的第二输入端、三与门13的第三输入端连接，反相器8的输出端同与门9的第二输入端，三与门14的第三输入端连接，两个与门9、10的输出端分别同两个下降沿触发器IC₄11、IC₄12的输入端连接，触发器IC₄11的输出端同三与门13的第二输入端连接，另一触发器IC412输出端同另一三与门14的第二输入端连接，两个三与门13、14的输出端分别同单片机IC₅15的两个输入端相联，单片机IC₅15输出端同R-S触发器IC₆16相联，R-S触发器IC₆16的输出端Q同光电耦合器17联接，光电耦合器17连接单向可控硅SCR；

2、所述的两传感头盒体内PIN处设置有一用以屏蔽本盒体内LED所发出红外光的圆筒形金属外套，外套内径为6至6.5毫米，圆筒前端与盒体窗口密接触而后端用红外吸收材料密封，同时在传感头盒外PIN窗口的前端固定有一个不透红外塑料制成的U型遮光罩，其横截面内径尺寸略大于红外窗口的尺寸，其长度为8毫米，罩在盒体外窗口前端，朝向外侧设置有U形开口部分，PIN在圆筒内其管端离窗口距离为6至8毫米，其闲置这段圆筒和U型遮光罩起到滤波作用构成空间滤波器。

本发明产品属节能减排方面的产品，结构简单，成本低廉。智能型全自动开关，可广泛应用在各类卫生间，采光不佳的办公室，以及配合普通开关可用于住户的卧室，宾馆的客房等，且在采用光控电源后此开关圆满，成功地应用在公厕灯的自动控制上。

本发明用物体移动方向传感器除了研制成功了定向移动自动开关和双向移动(双)自动开关外，新近又研制成功了一种智能型全新的自动开关——全自动开关，这是开关技术领域一次全新的革命和重大技术突破。

以前本发明人研制的定向移动自动开关和双向移动(双)自动开关其应用范畴仅限于某个人单独使用，而智能型全自动开关是针对只有一个门可以进、出的半封闭空间(指房间)，其进、出随机，人数可以不限，大家共同使用的一种自动开关，它能使所控制的电器自动的为人们服务，这样就大大地扩大了其应用的范围。

为了实现开关全自动化这一功能，发明人利用自己早已研制成的物体移动方向传感器，它能识别人(或物体)的“进入”和“出走”，进而对进出人数通过单片机IC₅计数程序实行“进入”和“出走”的计数，每进入一个人时计数为加1，通过控制电路将灯打开，反之出走时减1，当净剩数为零时再通过控制电路将灯关闭。为此给单片机IC₅设置了两个输出端：其一是计数为1的输出端n₁，简称为壹输出端，该端在计数为1时输出高电平，计数为其它数值时均输出低电平，其二计数为零的输出端n₀，简称为零输出端，该端平时输出低电平，仅在计数为零时输出高电平，这两个输出端n₁、n₀与R-S触发器IC₆，的S端和R端分别相连。以此来控制灯的开启与关闭。

为了使逻辑关系科学严谨，在设计上对“进”、“出”重新进行了严格的界定，两只相距1个厘米(窗口间距)位于水平面安置的红外发光二极管LED，以内侧光路的铅垂平面为界每当人从门外侧进入房间接触到该平面为“进”，计数器加1，而向外移动时每脱离开此垂直平面为“出”则减1，这样既便有人一旦迈入门槛又退回时原计数结果不变，对电器的工作不会产生误动作。

为了实现这一技术要求对本发明人原设计的物体移动方向传感器涉及出走部分之电路进行了相应的改造。其电路联接方式如下：待移动物体通过的空间左侧(图3)为由两只LED和与相联接的两个IC₁1、2构成的红外发射电路，而右侧为与LED相对应的两只PIN，它们分别与两个放大器IC₂3、4的输入端连接，IC₃3、4的输出端与两个锁定在相应发射频率上的频率译码器IC₃5、6的输入端连接，频率译码器IC₃5的输出端同与门9、10的第一输入端连接、三与门13、14的第一输入端连接，频率译码器IC₃6的输出端同反相器8的输入端、与门10的第二输入端、三与门13的第三输入端连接，反相器8的输出端同与门9的第二输入端，三与门14的第三输入端连接，与门9、10的输出端分别同下降沿触发器IC₄11、12的输入端连接，触发器IC₄11的输出端同三与门13的第二输入端连接，触发器IC412输出端同三与门14的第二输入端连接。三与门13的输出端为移动物体方向传感器的“进入”输出端(给出进入信号)，三与门14的输出端称为物体移动方向传感器的“出走”输出端，给出物体“出走”之信号。三与门13和14的输出端分别同单片机IC₅15的两个输入端相联，而单片机IC₅15按计数程序对进、出人员进行计数，当计数为壹时提供一个输出端n₁，称为“壹”输出端，该输出端平时输出低电平，在计数为“壹”且仅在“1”时输出高电平，输出端n₁同R-S触发器IC₆16的S端相联，当计数程序的计数为“零”时单片机IC₅15也提供一个输出端n₀，称为零输出端，零输出端n₀平时输出低电平，在计数为零且仅在“0”时输出高电平，“零”输出端n₀同R-S触发器IC₆16的R端相联，R-S触发器IC₆16的输出端Q同光电耦合器17联接，光电耦合器17把弱电同强电220V交流电路隔离，当房间有人时单片“壹”输出端n₁输出高电平使R-S触发器IC₆16触发，R-S触发器IC₆16Q端输出高电平，光电耦合器中的发光二极管工作，进而单向可控硅SCR导通、灯亮；而当房间无人时单片机IC₅15零输出端n₀输出高电平，R-S触发器IC₆16复位，其输出端Q变为低电平单项可控硅SCR截止，灯灭。

本发明的有益效果有：

1、本发明解决了开关的自动化问题，人进入房间时开关自动接通，无人时开关断开，使用此全自动开关可取消对灯的人员管理。

2、使用此开关其最大的优点是消除了由于不良习惯，给电能带来的不必要的损失，特别是在公共场所如公共厕所、各类卫生间使用本自动开关后，做到人走灯灭，起到节能作用，故是节能减排方面的产品。

3、本发明产品市场广阔，它可以应用在各单位、部门和住户的所有卫生间，采光不佳的办公室，住户的卧室、宾馆的客房，以及利用光控电源后用在需要有灯光照明的公共厕所中，实行对灯的自动控制，这会给用户带来极大的方便。

本发明中在光路方面两传感头中的LED采用了相互对射方式，以及对PIN使用了由金属套管和窗口前U型遮光罩组成的空间滤波器，它削弱了干扰光且导引了信号光驱达PIN，这使窗口间距得以压缩，传感头尺寸得以缩小，此为本发明光学技术上的创新之处，同时，本发明开关去掉控制电路加接计数显示部分就可以成为一种新型的计数装置，用在展览馆、陈列馆及图书馆等有关部门作为当日参观、阅览人数的统计，且能随时监控馆内现有人数。

(四)附图说明

图1为本发明的安装结构示意图；

图2为本发明的电路原理方框图；

图3为本发明的电路原理示意图；

图4为U形遮光罩示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和联接关系作进一步说明：

结合图1，本实施例由两个传感头盒18、19和主机20所组成，两传感头盒分别镶嵌在门两侧的墙体内，盒体距地面高度为1.2m左右，盒体相对的一侧各有两个相对准的红外线窗口，窗口间距为1个厘米，交流电220伏，电源经插头供给主机20，主机20的直流电源6伏输出端经导线与两传感头盒相联接，送去工作电源。两传感头盒内分别装有针对对侧发射的LED及其驱动电路，与接收对侧发射的PIN及其接收电路。

主机由右上面两个接线柱经导线送到灯头的两个接线柱上，直接控制灯的开启与关闭。

本实施例为了使全自动开关在工程上得以实施，首先要压缩两传感头上两窗口的间距，使间距越小越好，将来采用专业芯片这一新技术传感头的尺寸才能减下来，与此同时相矛盾的是窗口间距越小，两路不同频率的红外光进入同一窗口所产生的干扰越大，为了消除或减小这种干扰变两传感头同射即LED在同一侧发射(同方向发射)为对射(相对发射)，所谓对射方式即每侧都有一只LED和一只PIN，PIN各自接收对侧LED发射的红外光，把本侧频率译码器的频率锁定在对侧的发射频率上。其优点是相对地消除(或确切地说减少了)干扰，使窗口间距可缩小到1个厘米，(两只LED和PIN只有5mm的缝隙)，如果采用小尺寸的LED，PIN及高速芯片则间距可进一步缩小。其二两侧传感头的电路及器件完全相同其区别仅在于决定发射频率和接收频率的两个电阻的阻值有所差别，这对于未来传感头的微型化(专业芯片)十分有利，成本也会大大降低。

两盒体内PIN需加一圆筒形金属外套，外套内径为6至6.5毫米用以屏蔽本盒体内LED所发出的红外光，使其仅接收对侧的LED所发之红外光，圆筒前端与盒体窗口密接触而后端用红外吸收材料密封。PIN在圆筒内其管端离窗口距离为6至8毫米，其闲置这段圆筒起到滤波作用可称为空间滤波器，它能导引对侧的LED所发出红外光进入PIN又能把在人体通过光路时同一盒体LED被人体所反射的红外光斜射进入套管后经多次反射而衰减，仅有极少部分能进入PIN，减少了非所需的红外光对主体信号光的干扰，圆筒内侧能涂以红外光吸收材料为最好。与此同时在传感头盒外PIN窗口的前端要固定一个不透红外塑料制成的U型遮光罩(见附图4)其横截面内径尺寸略大于红外窗口的尺寸，其长度为8毫米左右，罩在盒体外窗口前端，U形开口部分朝向外侧如附图4所示，此遮光罩同样起到空间滤波器的作用。

传感头盒体由金属材料制成，以屏蔽外界电、磁、光的干扰。为了消除太阳光对传感头的干扰(事实上天黑后已不存在)，两路的发射频率可以分别规定在38KH和56KH。其它方面如详细工作原理和注意之处在前两个专利(专利号ZL 03260465、3和ZL 2004200185、2)中已有详细叙述。

全自动开关应用在公厕的情况下，只要把其工作电源进行光控，即采用光控电源(此已有成熟的技术，本人也有这方面的产品)，当公厕内照度低至一定程度时，光控电源开始为自动开关送去工作电源，开关开始工作，尚在此时公厕内正有用厕者，这种情况下厕灯的控制会出现误动作，但单片机本身设置了这种功能：随着用厕者的“进”与“出”，当第一次公厕内无人时，全自动开关当即转为正常工作状态，从送电转到正常工作状态这段时间不会超过20分钟，而送电时，公厕内光照度不是很暗，故这一小段时间内对用厕者不会带来任何影响，这段时间属于全自动开关的自动调整时间。

有人可能会担心全自动开关用在公厕的条件下，同一时间入厕者有时较多是否会产生误动作，但经发明人多次实验，只要前后两入厕者相互距离大于两LED与PIN红外窗口的间距1厘米，而不是搭肩而入，绝不会出现误动作，按人们平时走路及正常进、出房间的习惯，搭肩而入的概率几乎为零，特别是在夜晚，尽管这种情况的概率很小，厕灯出现误动作的可能性极低，发明人在这里也应该针对这种情况出现的后果而进行一下讨论：

误动作的出现不外乎以下两种情形：

(1)单片机的记数为n，公厕内实有人数为n+1，我们来看看最后的结果。

表1单片机的记数

	单片机的记数	公厕内实有人数	灯光效果
				某初始时刻	n	n+1	灯亮
随时间推移	n-1	n	灯亮
				随时间推移	n-2	n-1	灯亮
随时间推移	…	…	灯亮
				公厕内人陆续出走后	0	1	灯灭
最后	0	0(计算程序要求，负数清零)	灯灭

结论：厕内人数从n+1个到用完公厕全部走出这段时间不会太长，这n+1个人中仅有一个人在很短的一小段时间里得不到厕内灯光的照明，这个人走出后厕内人数为零，单片机记数为零，全自动开关恢复正常工作状态。

(2)单片机的记数为n，公厕内实有人数为n-1，我们来看看最后的结果。

表2单片机的记数

	单片机的记数	公厕内实有人数	灯光效果
				某初始时刻	n	n-1	灯亮
随时间推移	n-1	n-2	灯亮
				随时间推移	…	…	灯亮
公厕内人陆续出走后	1	0	灯亮
				随着用厕者进入	2…n	1…n-1	灯亮灯亮

这种情况会导致记数器(计数)永远不能归零，灯从此会亮到天明，至全自动开关断电为止，这时单片机清零，下一次送电开始工作后，全自动开关又转入正常工作状态。这一夜相当于目前对厕灯没装全自动开关一样，然而仅这一夜而已，且并未给用厕者带来什么不便。

从以上的讨论可以看出，尽管在这种人为因素导致极少会出现误动作的情况下，给用厕者也不会带来什么麻烦，仅相当于这一夜全自动开关没发挥功能，厕灯亮了一夜，而其它绝大多数时日里，全自动开关的功能均会很好的发挥。

为了把全自动开关的成本降到最低，单片机仅编制了计数程序并未设置记数器。

Claims (3)

1.一种智能型全自动开关，它是由两个相对准的传感头盒和主机组成，其特征在于传感头盒内分别装有红外发光二极管LED，光电二极管PIN和其驱动及发射电路，红外发光二极管LED采用相互对射方式设置，传感头盒相对的一侧各有两个间隔一个厘米的红外窗口，盒体分别镶嵌在门内或外两侧墙体内，主机内装有工作电源、逻辑电路、单片机及控制电路。

2.根据权利要求1所述的智能型全自动开关，其特征在于所述的传感头盒内两只红外发光二极管LED和与相联接的两个集成电路IC₁(1、2)构成的红外发射电路，与LED相对应的两只光电二极管PIN，它们分别与两个放大器IC₂(3、4)的输入端连接，两个放大器IC₃(3、4)的输出端与两个锁定在相应发射频率上的两个频率译码器IC₃(5、6)的输入端连接，频率译码器IC₃(5)的输出端同两个与门(9、10)的第一输入端连接、两个三与门(13、14)的第一输入端连接，频率译码器IC₃(6)的输出端同反相器(8)的输入端、与门(10)的第二输入端、三与门(13)的第三输入端连接，反相器(8)的输出端同与门(9)的第二输入端、三与门(14)的第三输入端连接，两个与门(9、10)的输出端分别同两个下降沿触发器IC₄(11、12)的输入端连接，触发器IC₄(11)的输出端同三与门(13)的第二输入端连接，另一触发器IC₄(12)输出端同另一三与门(14)的第二输入端连接，两个三与门(13、14)的输出端分别同单片机IC₅(15)的两个输入端相联，单片机IC₅(15)输出端同R-S触发器IC₆(16)相联，R-S触发器IC₆(16)的输出端Q同光电耦合器(17)联接，光电耦合器(17)连接单向可控硅SCR。

3.根据权利要求1或2所述的智能型全自动开关，其特征在于所述的两传感头盒体内PIN处设置有一用以屏蔽本盒体内LED所发出红外光的圆筒形金属外套，外套内径为6至6.5毫米，圆筒前端与盒体窗口密接触而后端用红外吸收材料密封，同时在传感头盒外PIN窗口的前端固定有一个不透红外塑料制成的U型遮光罩，其横截面内径尺寸略大于红外窗口的尺寸，其长度为8毫米左右，罩在盒体外窗口前端，朝向外侧设置有U形开口部分，PIN在圆筒内其管端离窗口距离为6至8毫米，其闲置这段圆筒和U型遮光罩起到滤波作用构成空间滤波器。

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