CN107976253A - 一种基于光敏元件阵列的车载光电传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，包括：光敏元件阵列传感模块和与光敏元件阵列传感模块输出端连接的信号处理单元MCU。光敏元件阵列传感模块包括依次连接的光敏元件阵列、信号转换电路和差分运放电路。光敏元件阵列包括PCB板、若干对称分布于PCB板的顶部和底部的光敏电阻对P、安置于PCB板正下方的反射面和位于所述PCB板和反射面之间的竖直方向的光线隔板。PCB板的顶部的中心处还布置有光照强度测试电路。本发明能感知光照的强度、垂直入射角度和水平照射方向三种要素，在保证控制精度和灵敏度的前提下，用廉价的光学元件通过合理的阵列排布和巧妙的算法，替代昂贵的高精度光敏元件，降低传感器成本。

Description

一种基于光敏元件阵列的车载光电传感系统
技术领域
本发明涉及汽车电子技术领域，具体涉及一种基于光敏元件阵列的车载光电传感系统。
背景技术
智慧型汽车，是汽车发展的重要方向。汽车智能化与车载传感器紧密相关，车载传感器是实现智能化的关键技术。针对空调自动调解系统，光电传感器非常重要，它能够检测车外太阳的辐照强度，这个参数是作为自动空调自动调解系统的算法逻辑的一个输入条件，当汽车面对着太阳行驶，光电传感器会检测到光照强度很高，这时候空调控制器会自动调低出风温度和鼓风机转速。针对车窗遮光度自动调解系统，光电传感器能判断光照强度和光照方向，从而自动调解车窗的遮光程度，提高乘客的舒适体验感受。但是，目前用于车载的光电传感器类型还比较稀少，且具有如下特点：1.大部分的光电传感器仅能感知光照强度变化，而光线垂直方向的入射角度、水平照射方向等参数还不能感知；2.传感器的光敏部件价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光敏元件阵列的车载光电传感系统，该系统能感知光照的强度、垂直入射角度和水平照射方向三种要素，并转换成信号处理单元MCU能直接使用的数字电信号。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，包括：光敏元件阵列传感模块和与光敏元件阵列传感模块输出端连接的信号处理单元MCU。
所述光敏元件阵列传感模块包括依次连接的光敏元件阵列、信号转换电路和差分运放电路。
所述光敏元件阵列包括PCB板、若干对称分布于PCB板的顶部和底部的光敏电阻对P、安置于PCB板正下方的反射面和位于所述PCB板和反射面之间的竖直方向的光线隔板。所述 PCB板的顶部的中心处还布置有光照强度测试电路；
所述光敏元件阵列传感模块通过光敏元件阵列感知光照强度、垂直入射角度和照射方向的变化，并将光照信号通过信号转换电路转换为差模电压信号，再通过差分运放电路对差模电压信号进行放大。
所述信号处理单元MCU将模拟电压信号转换成数字电压信号，并对数字电压信号进行运算处理后输出。
进一步，所述光敏电阻对P串联分压电阻R。
进一步，所述光照强度测试电路包括：光敏电阻RP、分压电阻R和运算放大器；所述光敏电阻RP与分压电阻R串联；所述运算放大器的输入端与所述光敏电阻RP连接。
进一步，所述于PCB板的顶部和底部对称布置的若干光敏电阻对整体分布呈旋转对称图形。
进一步，所述于PCB板的顶部和底部对称布置的若干光敏电阻对整体分布呈圆形。
具体的，所述光敏元件阵列传感模块对光照强度的具体处理过程为：所述光敏电阻对P 中分别位于PCB板顶部和底部的光敏电阻受太阳光照射强度具有差异，使得光敏电阻的电阻值产生差异，进而导致第i个所述光敏电阻对P形成差模电压信号ΔUi，其中 i∈{0,1,2，...,n}，n为所述光敏电阻对P的总数量。
具体的，所述光敏元件阵列传感模块对垂直入射角度的具体处理过程为：阳光的入射角α逐渐增大的时候，反射面反射的光线强度也逐渐增大，所述光敏电阻对P形成差模电压信号ΔUi逐渐变小，光线垂直入射角度α与ΔU负相关，表示为
具体的，所述光敏元件阵列传感模块对照射方向的具体处理过程为：首先，将旋转对称图形均匀的根据方位划分区域；然后，计算每个区域的差模电压信号的平均值然后，判断每个区域的差模电压信号的平均值是否小于阈值Uth；若小于阈值Uth，则有光线从该区域对应的方向直射入车内；若大于阈值Uth，则没有光线从该区域对应的方向直射入车内。
本发明设计了一种光敏元件阵列的车载光电传感系统，该系统能感知光照的强度、垂直入射角度和水平照射方向三种要素，并转换成信号处理单元MCU能直接使用的数字电信号。本发明结构简单、体积小，在保证控制精度和灵敏度的前提下，用廉价的光学元件通过合理的阵列排布和巧妙的算法，替代昂贵的高精度光敏元件，降低传感器成本。
附图说明
图1本发明传感器应用位置示意图；
图2是本发明的系统示意图；
图3是本发明光敏元件阵列排布侧视图；
图4是本发明光敏元件阵列传感模块原理图；
图5是本发明不同入射角度光线照射光敏元件阵列示意图；
图6是本发明光照强度检测电路原理图；
图7是本发明光敏元件阵列分布俯视图。
具体实施方式
结合附图对本发明进一步阐述。
如图1所示，一种基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，安置于车辆的顶棚上方，如图2所示，该系统包括：光敏元件阵列传感模块1与光敏元件阵列传感模块1输出端连接的信号处理单元MCU2。信号处理单元MCU2将模拟电压信号转换成数字电压信号，并对数字电压信号进行运算处理后输出。
如图3所示，光敏元件阵列传感模块1包括依次连接的光敏元件阵列11、信号转换电路12和差分运放电路13。光敏元件阵列11包括PCB板111、设置n个对称分布于PCB板 111的顶部112和底部113的光敏电阻对P114、安置于PCB板111正下方的反射面115和位于所述PCB板111和反射面115之间的竖直方向的光线隔板116。如图4所示，共有n 个光敏电阻对P114相互并联，第i个光敏电阻对P114的位于PCB板111顶部112的光敏电阻记为Rti，底部113的光敏电阻Rbi，i∈{0,1,2，...,n}，每个光敏电阻还串联分压电阻 R。
如图6所示，PCB板111的顶部112的中心处还布置有光照强度测试电路。所述光照强度测试电路包括：光敏电阻RP、分压电阻R和运算放大器；所述光敏电阻RP与分压电阻 R串联；所述运算放大器的输入端与所述光敏电阻RP连接。
光敏元件阵列传感模块1通过光敏元件阵列11感知光照强度、垂直入射角度和照射方向的变化，并将光照信号通过信号转换电路12转换为差模电压信号，再通过差分运放电路 13对差模电压信号进行放大。
光敏元件阵列传感模块1对光照强度的具体处理过程为：由于光线总是来自于车辆上方，PCB板111顶部112的第i个光敏电阻对受太阳光直射对应输出电压Uti，底部113的光敏电阻受反射面115的反射光线照射输出电压Ubi，光照射强度具有差异，顶部112电阻和底部113电阻对应之间存在电压差，进而形成一个差模信号ΔUi，ΔUi＝|Uti-Ubi|。这个差模信号ΔUi，就可以表征顶部112和底部113之间光照强度的差异。将Uti、Ubi输入差分运算放大器DOPA，进一步将差模信号ΔUi放大，然后通过模-数转换后，MCU就可以对信号进行分析处理了。
光敏元件阵列传感模块1对垂直入射角度的具体处理过程为。如图5所示，当阳光垂于PCB板111照射时，ΔUi最大。当阳光的入射角α逐渐增大的时候，反射面115反射的光线强度也逐渐增大，这时上下两面对称分布的光敏电阻之间所受的光照强度差逐渐缩小，即ΔUi逐渐变小。因此，ΔUi的变化可以表征阳光垂直入射角度的变化，如公式1所示，光线垂直入射角度α与ΔUi负相关，即
光敏元件阵列传感模块1对照射方向的具体处理过程为：首先，将旋转对称图形均匀的根据方位划分区域；如图7所示，于PCB板111的顶部112和底部113对称布置的若干光敏电阻对整体分布呈圆形。以汽车自身为参照，将圆形划分为8个方向，分别是前(Front)、后(Back)、左(Left)、右(Right)、左前(Left-Front)、右前(Right-Front)、左后(Left-Black)、右后(Right-Black)。将光敏电阻按圆形阵列排布，并将光敏电阻阵列分成8个扇形区域S1、S2、 S3、S4、S5、S6、S7、S8，区域之间由光线隔板116分开，每一个区域都包含若干光敏电阻对，区域划分如表2所示。
表2
然后，计算每个区域的差模电压信号的平均值为减小偶然因素导致的误差，对每一扇形区域中所有光敏电阻对输出的ΔUi求取平均值作为阳光水平照射方向的判断依据。由于各个扇形区域之间有光线隔板116分开，不会因为光线反射而相互影响，所以当某一区域中输出信息号时(Uth为判定光照方向是否沿着某一扇形区域对应方向的阈值)，则说明有光线从该区域对应的方向直射入车内。只要有两个扇形区域同时满足条件，那么就可以判断对应方向有光线照射过来。

Claims (8)

1.一种基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，包括：光敏元件阵列传感模块(1)和与光敏元件阵列传感模块(1)输出端连接的信号处理单元MCU(2)；其特征在于，
所述光敏元件阵列传感模块(1)包括依次连接的光敏元件阵列(11)、信号转换电路(12)和差分运放电路(13)；
所述光敏元件阵列(11)包括PCB板、若干对称分布于PCB板(111)的顶部(112)和底部(113)的光敏电阻对P(114)、安置于PCB板正下方的反射面(115)和位于所述PCB板(111)和反射面(115)之间的竖直方向的光线隔板(116)；所述PCB板(111)的顶部(112)的中心处还布置有光照强度测试电路；
所述光敏元件阵列传感模块(1)通过光敏元件阵列(11)感知光照强度、垂直入射角度和照射方向的变化，并将光照信号通过信号转换电路(12)转换为差模电压信号，再通过差分运放电路(13)对差模电压信号进行放大；
所述信号处理单元MCU(2)将模拟电压信号转换成数字电压信号，并对数字电压信号进行运算处理后输出。
2.根据权利要求1所述的基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，其特征在于：所述光敏电阻对P(114)串联分压电阻R。
3.根据权利要求1所述的基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，其特征在于，所述光照强度测试电路包括：光敏电阻RP、分压电阻R和运算放大器；所述光敏电阻RP与分压电阻R串联；所述运算放大器的输入端与所述光敏电阻RP连接。
4.根据权利要求3所述的基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，其特征在于：所述于PCB板(111)的顶部(112)和底部(113)对称布置的若干光敏电阻对整体分布呈旋转对称图形。
5.根据权利要求4所述的基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，其特征在于：所述于PCB板(111)的顶部(112)和底部(113)对称布置的若干光敏电阻对整体分布呈圆形。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，其特征在于，所述光敏元件阵列传感模块(1)对光照强度的具体处理过程为：所述光敏电阻对P(114)中分别位于PCB板(111)顶部(112)和底部(113)的光敏电阻受太阳光照射强度具有差异，使得光敏电阻的电阻值产生差异，进而导致第i个所述光敏电阻对P(114)形成差模电压信号ΔUi，其中i∈{0,1,2，...,n}，n为所述光敏电阻对P(114)的总数量。
7.根据权利要求6所述的基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，其特征在于，所述光敏元件阵列传感模块(1)对垂直入射角度的具体处理过程为：阳光的入射角α逐渐增大的时候，反射面(115)反射的光线强度也逐渐增大，所述光敏电阻对P(114)形成差模电压信号ΔUi逐渐变小，光线垂直入射角度α与ΔU负相关，表示为
8.根据权利要求6所述的基于光敏元件阵列的车载光电传感系统，其特征在于，所述光敏元件阵列传感模块(1)对照射方向的具体处理过程为：首先，将旋转对称图形均匀的根据方位划分区域；然后，计算每个区域的差模电压信号的平均值然后，判断每个区域的差模电压信号的平均值是否小于阈值Uth；若小于阈值Uth，则有光线从该区域对应的方向直射入车内；若大于阈值Uth，则没有光线从该区域对应的方向直射入车内。
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Assignee: CHONGQING CHANGAN NEW ENERGY AUTOMOBILE TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: Chongqing Changan Automobile Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021500000014

Denomination of invention: A vehicle photoelectric sensing system based on photosensitive element array

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License type: Common License

Record date: 20211014