CN104213389B - 一种电熨斗专用握持感应传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电熨斗专用握持感应传感器，该传感器包括电容积分输入模块及电容检测单元，所述电容积分输入模块由信号发生电极、信号接收电极、开关sw1和开关sw2组成，信号发生电极连接开关sw1和开关sw2用于产生脉冲信号，信号接收电极通过开关sw1和开关sw2连接电容检测单元；所述电容检测单元由信号积分模块、模数转换模块及负积分输入模块组成，负积分输入模块的输出端连接信号积分模块的输入端，信号积分模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接负积分输入模块的输入端。本发明具有植入简单方便，价格低廉，握持手感好等特点；解决了电熨斗在使用间隙中没有竖直放置而引发的安全问题。

Description

一种电熨斗专用握持感应传感器

技术领域

本发明涉及的是一种用于电熨斗的传感器，具体是一种可植入电熨斗把柄的握持接近感应传感器。该传感器植入电熨斗后可以大幅提高电熨斗的使用安全性。

背景技术

电熨斗是平整衣服与布料的常用工具，是现代必不可少的家用电器之一。针对不同的布料电熨斗需要的温度也不相同，早期的电熨斗是通过人为控制通电时间进而升高电熨斗底板温度，但事实上并不容易实现，因为该温度很容易超过被熨布料的承受范围，导致布料损坏甚至碳化燃烧。而改进的调温型电熨斗在普通型的基础上增加了温度控制装置，温度控制元件采用双金属片，利用调温旋钮改变双金属片上静、动触头之间的初始距离与压力，从而使温度在60-250度之间连续可调。与普通电熨斗相比，调温型电熨斗调温更加方便，可为目前市场上的主流产品所采用。

当然，调温型电熨斗也会存在安全隐患，如温度控制装置中的双金属片长时间受压后会失去弹性，即失去了调温功能，或者长时间大功率输出会导致双金属片与弹性体触电热熔在一起，这些都会导致电熨斗引发安全问题。另外，在使用过程中使用者也会出现忘记切断电源或者长时间将电熨斗平放，导致热量累计使得发生危险的概率提升。

针对这些安全问题，一些电熨斗添加了电熨斗姿态检测装置，如竖直放置状态持续一段时间会自动关机的设计已经被广泛使用，电熨斗停止运动一分钟即关断电源，类似这样的设计在一定程度上提高了电熨斗的使用安全性，但也不是完美无瑕，比如电熨斗水平放置静止30秒的时间足以使得某些布料被电熨斗不断积累的高温烫伤等，这些安全隐患都在促使我们开发更好的设计。

发明内容

本发明的目的是针对电熨斗的使用者在熨烫衣服的过程中因其它事物干扰，没有按使用要求竖直放置电熨斗，使得衣物受损的问题而提供的一种电熨斗专用握持感应传感器，针对电熨斗在使用过程中必然有人手握持的特点，将该握持感应传感器嵌入电熨斗把柄中，利用握持感应帮助判断电熨斗是否处于正常使用状态或者使用者是否离开的状态，决定电熨斗是否应该停止加热，最大限度的提高电熨斗的使用安全性。另外，本专利设计的握持感应传感器植入简单，成本低廉，整个电熨斗的握持把柄部位无握持死角，使用者握持轻松随意，具备良好的使用手感。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种电熨斗专用握持感应传感器，特点是该传感器包括电容积分输入模块及电容检测单元，所述电容积分输入模块由信号发生电极、信号接收电极、开关sw1和开关sw2组成，信号发生电极连接开关sw1和开关sw2用于产生脉冲信号，信号接收电极通过开关sw1和开关sw2连接电容检测单元；所述电容检测单元由信号积分模块、模数转换模块及负积分输入模块组成，负积分输入模块的输出端连接信号积分模块的输入端，信号积分模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接负积分输入模块的输入端。

所述信号发生电极与信号接收电极由两条位置相对固定的金属线构成，金属线之间构成电容CE。

所述信号积分模块的正输入端与输出端之间设有电容Cf。

所述信号接收电极通过开关sw1连接参考电压VCOM，通过开关sw2连接信号积分模块的正输入端。

所述负积分输入模块中设有可变电容阵列CD，可变电容阵列CD的正极板连接开关sw1和开关sw2用于产生与电容积分输入模块中相反的脉冲信号，负极板通过开关sw1连接参考电压VCOM，通过开关sw2连接信号积分模块的正输入端。可变电容阵列CD的核心在于抵消电容积分输入模块中传感器固有容值所带来的积分变化以提高检测灵敏度。

本发明的信号发生电极与信号接收电极使用两条位置相对固定的金属线构成电容来感应人手的接近，金属线可根据电熨斗把柄的外形特点自由调节形状以方便进行传感器电极的植入，可以隐藏在电熨斗把柄中而不影响产品原有的外观协调性。具备植入简单方便，价格低廉，握持手感好等特点。并解决了电熨斗在使用间隙中没有竖直放置而引发的安全问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明使用于电熨斗的系统控制示意图；

图3为本发明使用于电熨斗的逻辑控制流程图；

图4为普通电熨斗电容传感器结构示意图；

图5为本发明的电容检测积分结构示意图；

图6为本发明的正负积分结构示意图；

图7为本发明校准前后积分效果对比图。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括由两根金属导线构成的信号发生电极702和信号接收电极703、两路电极配合开关sw1和开关sw2组成的电容积分输入模块701及由信号积分模块706、模数转换模块709以及负积分输入模块707组成的电容检测单元704。

开关sw1和sw2代表两路交替导通的非交叠开关，在开关sw1导通周期两路电极702和703之间的电容CE被充电，开关sw1关闭后开关sw2导通周期，该电容中电量被转移到信号积分模块706中，负积分输入模块707的开关时序同电容积分输入模块701的开关时序相反，因此，电容积分输入模块701中的电荷首先被负积分输入模块707中的电荷抵消后才会被累加到信号积分模块706中。

所述的电容积分输入模块701的输出端连接信号积分模块706的输入正电极。

所述的负积分输入模块707的输出端连接信号积分模块706的输入正电极。

所述的信号积分模块706的输出端连接模数转换模块709的输入端。

所述的模数转换器709的输出端连接负积分输入模块707的输入端。

所述电容积分输入模块701的信号发生电极702连接到开关sw1和sw2用于产生脉冲信号，所述电容积分输入模块701的信号接收电极703通过开关sw1连接参考电压VCOM，通过开关sw2连接到信号积分模块706的正输入端。

所述负积分输入模块707中可变电容阵列CD的正极板连接到开关sw1和开关sw2用于产生与701中相反的脉冲信号，负极板通过开关sw1连接到参考电压VCOM，通过开关sw2连接信号积分模块706的正输入端。

参考电压VCOM是0-VDD之间的任意一个电压；通常取1/2VDD。

上电后电容积分输入模块701在两个电极之间构建出稳定的电容，该电容可等效为在两个电极周围空间中形成的电场，初次上电后701的输出信号经过积分和模数转换量化后控制负积分输入模块707的初次电容校准，707的电容校准结果将作为初始电容值通过负积分动作来抵消701中传感器的固有容值。电容积分输入模块701所构成的感应电场范围足够大，可以很容易的覆盖电熨斗把柄周围空间，当人手靠近该电场后接收电极703的信号幅度对比人手靠近之前有所减低，经过积分处理并由模数转换量化后可以很方便的得到人手靠近后带来的电容值，通过与初始电容值对比就可以得到人手靠近的电容改变量。

参阅图2，为本发明使用于电熨斗的控制系统示意图，分别为传感器电极702、703，电容检测单元704，竖直检测模块103，加热电流控制模块105和加热底盘106。传感器电极702、703由金属导线构成，被植入电熨斗把柄中使得电熨斗把柄周边的立体空间都被传感器电场所覆盖，电容检测单元704负责发射信号和接收检测信号，将传感器电极702、703所构建电场中变化量处理后得到电熨斗把柄是否处于握持状态，并将代表握持状态的逻辑信号送入加热电流控制模块105，配合竖直检测模块103的逻辑进行加热电流的控制，加热电流控制模块105接收到电容检测单元704和竖直检测模块103的信号后进行简单的逻辑处理得到电流通断控制驱动信号，由此控制可控硅或者继电器来决定加热电流的通断，如需要加热则将加热电流接入加热底盘106开始加热电熨斗底盘。

参阅图3，为本发明使用于电熨斗工作状态控制示意图，分别为加热关闭状态201，按预设温度加热状态202，状态A是两种状态之间的过渡状态203，其工作模式同202保持一致，依然为按预设温度加热状态。其中加热关闭状态201的设计有多种方法实现，例如由逻辑电平控制可控硅电流通路的断开来实现，也可以通过逻辑电平控制继电器的断开来实现。按预设温度加热状态202也有多种实现方法，例如可由传统的双金属片控温实现，也可以通过温度传感器检测温度后控制可控硅导通角控制电流的方法来实现，在此不再对这几种状态的具体工作方式进行复述。

各状态之间的切换触发由两个检测动作决定，分别为握持检测及竖直检测两种电熨斗检测动作，其中握持检测动作对应握持和非握持两种结果，竖直检测动作对应竖直放置和水平放置两种结果，在此将竖直放置以外的状态都归纳入水平放置状态的范畴，包括倾倒状态。当电熨斗处于加热关闭状态201的时候，竖直检测或者握持检测任何一种动作的发生都会触发切换状态至按预设温度加热状态202。当电熨斗处于按预设温度加热状态202的时候，会首先经过竖直检测判断结果为水平放置后触发状态进入状态A203，该状态中依然保持按预设温度加热的工作模式，同时在该状态中继续进行握持检测，当握持检测的结果为非握持的时候由203触发切换至加热关闭状态201，当203发现竖直检测有效则触发切换回按预设温度加热状态202。

使用本发明的电熨斗需要两种检测：竖直检测以及握持检测，其中竖直状态检测属于比较成熟的模块，有多种方法实现，不做复述。握持检测是本发明的核心，其必须具备应用简单方便，握持检测手感舒适自然，握持把柄无感应死区等特点。

若采用电容按键植入电熨斗把柄的方式也可实现手柄的握持感应，但是感应电极成本相对较高，同时达不到植入简单，触控感应空间均匀覆盖电熨斗把柄，握持无感应死区的要求。原因如下：

参阅图4，为普通电熨斗电容传感器结构示意图，它包括传感器电极301和电容检测模块302。传感器电极可由一块金属焊盘制成，该金属焊盘同地之间存在的电容构成传感器电容301。电容检测模块302包括恒流源303、对地开关304以及模数转换器305。每个工作周期开始前通过开关304进行电压复位，再由恒流源303在预定时间内对传感器电容301充电得到模拟电压量VA，通过模数转换器305量化VA电压得到数字化的电容值。当人手碰触传感器电容301的时候，相当于并联了一个人手的对地电容，总的被测电容将变大，模拟电压量VA相对变小，经过模数转换器305量化后得到改变后的数字化电容值，通过碰触传感器电极前后两次电容值的变化可以判断出传感器是否被碰触。

该结构的灵敏度同焊盘的面积成比例关系，灵敏度需求越高则焊盘面积需要越大，电熨斗把柄需要高灵敏触控才能带来良好的使用手感，而过大的焊盘植入电熨斗把柄变得非常不方便，同时成本也因为金属焊盘的面积提升而相应提高。并且感应电极在把柄的位置很难均匀分布，无法完美实现使用者自由握持把柄的需求。

另外，由于该结构的电容为对地电容，因此电熨斗与地的距离改变会对传感器电容自身容值产生影响，不利于电熨斗这种需要频繁移动产品的使用，同时，当有水渍出现在电熨斗把手上的时候，对于图3这种传感器的设计而言，其水渍等效于一个对地的电容，很可能导致电容检测模块302给出电容增大的判断，对于电熨斗普遍集成了蒸汽熨烫功能而言，很可能存在电熨斗手柄在无握持状态下被电熨斗自身蒸汽误触发的风险。

基于上述考虑，本发明采用了如图5所示的电容检测积分架构，采用互电容架构实现传感器的设计，电容积分输入模块701，电容CE等效为传感器电极，电极两端分别为信号发射电极702和信号接收电极703，通过开关sw1和开关sw2的交替导通实现了对电容CE的充电和放电工作。

信号积分模块706中的积分电容Cf在开关sw1导通周期为电容CE充电，然后在开关sw2导通周期将电容CE上存储的电荷转移到电容Cf上，其输出VA电压变化量将能够等效对应CE的电容量。积分电容Cf取值远远大于被测电容CE，假设Cf为CE的100倍，将CE的变化通过100个时钟周期积分至Cf将有助于降低工作过程中可能出现的高频干扰。接近感应空间电场充满了噪声，其电容变化非常敏感，采用多次积分架构有助于降低高频噪声的影响。

该积分架构为构建稳定的空间电容设计提供了理论基础，积分器只转移CE内部存储的电荷，同CE极板对地的寄生电容没有关系，因此非常适合电熨斗这类频繁移动的产品，另外，该架构检测人手靠近的时候是切割接近感应传感器的电场，将电场中电荷引入人体，等效传感器电极等效的电容减小的效果，而水渍相当于在被测电容CE两端并联了一个小电容，等效电容增加的效果，因此该架构可以有效抑制因为蒸汽或者水渍带来的误触发问题。

基于成本考虑，Cf电容取值不能过大，由于被测电容CE上的电荷经过多次积分后转移到积分器电容Cf上，灵敏度同积分次数成正比例关系，而积分次数过大会出现积分器输出电压VA超过工作电压而导致Cf上电荷溢出问题。

为了解决多次积分后Cf电容上电荷溢出问题，本发明中采用了电容负积分的方式抵消被测电容的固有电容。如图6中所示的传感器正负积分架构，701为正电容积分输入模块，其中CE为接近感应传感器中的被测电容，702为信号发射电极，703为信号接收电极。706为电荷积分器模块，输出对应被测电容容值的模拟电压VA，709为模数转换器模块，可将模拟电压VA转变为数字量。707为负积分输入模块，708为可变电容阵列，初次上电后的积分结果由模数转换单元709输出控制708中电容容值以匹配被测电容的固有容值CE，经过初次上电校准后，708的容值将约等于被测电容的固有容值CE。

如图6所示，sw1和sw2代表两路交替导通的非交叠开关，开关sw1对应充电周期，开关sw2对应积分周期。正电容积分输入模块701同负电容积分输入模块707在每个充电周期充电方向相反，因此每次积分的时钟周期都有701上的正电荷积分与707负电荷积分两部分累加组成，每次积分后在Cf上的变化量仅为正负积分后的差值，由于校准CD的容值后708的电容与701中传感器的固有电容CE基本相等，因此在没有外来影响的环境中每次积分后积分器中电容Cf上的电荷变化量非常小，也就是在CE电容和CD电容基本相等的时候706电荷积分器的输出电压VA变化幅度非常小，解决了多次积分后Cf电容上可能出现的电荷溢出问题，也提升了被测信号的信噪比，采用该架构的前后对比效果可参阅图7。

参阅图7，因为传感器的工作电压范围有限，经过多次积分后传感器固有容值对应的积分器输出电压VA已经接近或者超过积分器模块所允许的电压最大值，这就限制了积分次数而影响工作灵敏度。而初次上电经过电容校准后通过正负积分架构可以有效的控制传感器固有电容带来的影响，获得理想的检测变化量，提升了传感器的工作灵敏度。

Claims (4)

1.一种电熨斗专用握持感应传感器，其特征在于该传感器包括电容积分输入模块及电容检测单元，所述电容积分输入模块由信号发生电极、信号接收电极、开关sw1和开关sw2组成，信号发生电极连接开关sw1和开关sw2用于产生脉冲信号，信号接收电极通过开关sw1和开关sw2连接电容检测单元；所述电容检测单元由信号积分模块、模数转换模块及负积分输入模块组成，负积分输入模块的输出端连接信号积分模块的输入端，信号积分模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接负积分输入模块的输入端；其中：

所述负积分输入模块中设有可变电容阵列CD，可变电容阵列CD的正极板连接开关sw1和开关sw2用于产生与电容积分输入模块中相反的脉冲信号，负极板通过开关sw1连接参考电压VCOM，通过开关sw2连接信号积分模块的正输入端。

2.根据权利要求1所述的感应传感器，其特征在于所述信号发生电极与信号接收电极由两条位置相对固定的金属线构成，金属线之间构成电容CE。

3.根据权利要求1所述的感应传感器，其特征在于所述信号积分模块的正输入端与输出端之间设有电容Cf。

4.根据权利要求1所述的感应传感器，其特征在于所述信号接收电极通过开关sw1连接参考电压VCOM，通过开关sw2连接信号积分模块的正输入端。