CN110346048A - 热释电红外传感器和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种热释电红外传感器和控制方法，涉及热释电红外传感器技术领域。该传感器包括：红外滤光元件、红外敏感元件和控制芯片。控制芯片包括：信号采集电路、信号处理电路和微控制单元；信号采集电路采集极性相反的第一电压信号和第二电压信号；在第一阶段，响应于时钟控制信号，将第一电压信号输出到信号处理电路的第一输入端，将第二电压信号输出到信号处理电路的第二输入端；在第二阶段，响应于时钟控制信号，将第一电压信号输出到第二输入端，将第二电压信号输出到第一输入端；信号处理电路对第一电压信号和第二电压信号进行信号处理以得到数字信号；微控制单元根据数字信号输出控制信号。本公开提高了输出控制信号的准确性。

Description

热释电红外传感器和控制方法
技术领域
本公开涉及热释电红外传感器技术领域，特别涉及一种热释电红外传感器和控制方法。
背景技术
热释电红外传感器在常温下能够有效检测敏感区域内的移动红外辐射源，非常适合应用于物联网中的智能家居领域。热释电红外传感器可以用于检测人体活动，以实现各种自动化控制。例如，热释电红外传感器可以用于智能照明控制、楼道自动开关控制、防盗报警控制等。此外，热释电红外传感器还可以用于更加智能化的自动控制，例如，当房间无人活动时自动关闭空调，在客厅无人或客厅里的人已经睡着后自动关闭电视机等等。
发明内容
在采集热释电红外传感器的信号时，需要从热释电红外传感器的红外敏感元件采集极性相反的两个信号。发明人注意到，由于红外敏感元件的差异以及采集两个信号的输入端口的工艺偏差，会造成采集到的两个信号的背景噪声信号不一致，影响后续在对两个信号进行信号处理后输出的控制信号的准确性，导致控制结果不准确。考虑到采集到的信号本身就很微弱，因此背景噪声信号的不一致会对最终的控制结果造成很大的不利影响。
为了解决上述问题，本公开实施例提供了如下解决方案。
根据本公开实施例的一个方面，提供了一种热释电红外传感器，包括：红外滤光元件，被配置为对红外线进行滤光；至少一个红外敏感元件，被配置为根据滤光后的红外线产生极性相反的第一电压信号和第二电压信号；以及控制芯片，所述控制芯片与所述至少一个红外敏感元件连接，所述控制芯片包括：信号采集电路、信号处理电路和微控制单元；其中，所述信号采集电路被配置为：采集所述第一电压信号和所述第二电压信号；在第一阶段，响应于至少一个时钟控制信号，将所述第一电压信号输出到所述信号处理电路的第一输入端，将所述第二电压信号输出到所述信号处理电路的第二输入端；以及在第二阶段，响应于所述至少一个时钟控制信号，将所述第一电压信号输出到所述第二输入端，将所述第二电压信号输出到所述第一输入端；所述信号处理电路被配置为对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行信号处理以得到数字信号；所述微控制单元被配置为根据所述数字信号输出控制信号。
可选地，所述至少一个时钟控制信号包括同频反相的第一时钟控制信号和第二时钟控制信号。
可选地，所述信号采集电路包括：第一开关，所述第一开关的第一端被配置为接收所述第一电压信号，所述第一开关的第二端与所述第一输入端相连，所述第一开关的控制端被配置为接收所述第一时钟控制信号；第二开关，所述第二开关的第一端被配置为接收所述第二电压信号，所述第二开关的第二端和所述第一输入端相连，所述第二开关的控制端被配置为接收所述第二时钟控制信号；第三开关，所述第三开关的第一端被配置为接收所述第二电压信号，所述第三开关的第二端和所述第二输入端相连，所述第三开关的控制端被配置为接收所述第一时钟控制信号；以及第四开关，所述第四开关的第一端被配置为接收所述第一电压信号，所述第四开关的第二端和所述第二输入端相连，所述第四开关的控制端被配置为接收所述第二时钟控制信号。
可选地，所述控制芯片还包括：控制信号产生电路，被配置为产生所述第一时钟控制信号和所述第二时钟控制信号。
可选地，所述控制信号产生电路包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器、第一或非门电路和第二或非门电路，其中：所述第一反相器的输入端被配置为接收时钟信号，所述第一反相器的输出端连接至所述第二反相器的输入端和所述第二或非门电路的第一输入端，所述第二反相器的输出端连接至所述第一或非门电路的第一输入端，所述第一或非门电路的输出端经过级联的所述第三反相器和所述第四反相器连接至所述第二或非门电路的第二输入端，且被配置为输出所述第一时钟控制信号，所述第二或非门电路的输出端经过级联的所述第五反相器和所述第六反相器连接至所述第一或非门电路的第二输入端，且被配置为输出所述第二时钟控制信号。
可选地，所述信号处理电路包括：放大电路，被配置为将所述第一电压信号和所述第二电压信号的差值放大以得到放大信号；以及模数转换电路，被配置为将所述放大信号转换为数字信号，并将所述数字信号输出到所述微控制单元。
可选地，所述控制芯片还包括：放大倍数可调电路，分别与所述微控制单元和所述放大电路连接，被配置为根据从所述微控制单元输出的倍数控制信号来调节所述放大电路的放大倍数。
可选地，所述倍数控制信号包括倍数调大控制信号和倍数调小控制信号；所述微控制单元被配置为在所述第一电压信号和所述第二电压信号为背景噪声信号的情况下，比较所述数字信号的幅值与阈值的大小；在所述数字信号的幅值小于阈值的情况下，向所述放大倍数可调电路输出倍数调大控制信号；在所述数字信号的幅值大于所述阈值的情况下，向所述放大倍数可调电路输出倍数调小控制信号；所述放大倍数可调电路被配置为根据所述倍数调大控制信号来增加所述放大电路的放大倍数，根据所述倍数调小控制信号减小所述放大电路的放大倍数。
可选地，所述放大倍数可调电路包括选择电路和并联的多个恒流电路，所述选择电路被配置为根据所述倍数控制信号，控制所述多个恒流电路中的一个或多个恒流电路向所述放大电路输出电流。
可选地，每个恒流电路包括：控制晶体管，所述控制晶体管的第一电极连接至电源电压端，所述控制晶体管的控制电极连接至所述选择电路；和开关晶体管，所述开关晶体管的第一电极连接至所述控制晶体管的第二电极，所述开关晶体管的第二电极连接至所述放大电路，所述开关晶体管的控制电极连接至所述选择电路。
可选地，所述放大电路包含补偿电路。
可选地，所述至少一个红外敏感元件包括两个或四个红外敏感元件，所述两个或四个红外敏感元件以相反极性的方式串联。
根据本公开实施例的另一个方面，提供了一种基于如前所述的热释电红外传感器的控制方法，包括：对红外线进行滤光；根据滤光后的红外线产生极性相反的第一电压信号和第二电压信号；采集所述第一电压信号和所述第二电压信号；在第一阶段，响应于至少一个时钟控制信号，将所述第一电压信号输出到所述信号处理电路的第一输入端，将所述第二电压信号输出到所述信号处理电路的第二输入端；在第二阶段，响应于所述至少一个时钟控制信号，将所述第一电压信号输出到所述信号处理电路的第二输入端，将所述第二电压信号输出到所述信号处理电路的第一输入端；对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行信号处理以得到数字信号；以及根据所述数字信号输出控制信号。
可选地，所述方法还包括：在所述第一电压信号和所述第二电压信号为噪声信号的情况下，比较所述数字信号的幅值与阈值的大小；以及在所述数字信号的幅值小于阈值的情况下，增大放大电路的放大倍数；在所述数字信号的幅值大于所述阈值的情况下，减小所述放大电路的放大倍数。
在本公开的热释电红外传感器中，在不同的阶段，第一电压信号被输入到信号处理电路的不同输入端，第二电压信号也被输入到信号处理电路的不同的输入端。与将第一电压信号固定地输入到信号处理电路的第一输入端，并将第二电压信号固定地输入到信号处理电路的第二输入端相比，本公开实施例的方案可以使得信号处理电路的第一输入端接收的信号中的背景噪声信号与信号处理电路的第二输入端接收的信号中的背景噪声信号基本一致，从而提高输出的控制信号的准确性，避免控制结果不准确。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，其描述了本公开的示例性实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理，在附图中：
图1是根据本公开一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图；
图2是根据本公开一些实施例的第一时钟控制信号和第二时钟控制信号的示意图；
图3A是根据本公开另一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图；
图3B是根据本公开另一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图；
图4是根据本公开又一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图；
图5是根据本公开一些实现方式的控制信号产生电路的结构示意图；
图6是根据本公开一些实现方式的时钟控制信号、第一时钟控制信号和第二时钟控制信号的对应示意图；
图7是根据本公开再一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图；
图8是根据本公开一些实现方式的放大倍数可调电路的结构示意图；
图9是根据本公开还一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图；
图10是根据本公开一些实现方式的补偿电路的结构示意图；
图11是根据本公开一些实施例的控制方法的流程示意图。
应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定部件位于第一部件和第二部件之间时，在该特定部件与第一部件或第二部件之间可以存在居间部件，也可以不存在居间部件。当描述到特定部件连接其它部件时，该特定部件可以与所述其它部件直接连接而不具有居间部件，也可以不与所述其它部件直接连接而具有居间部件。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
图1是根据本公开一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图。如图1所示，该热释电红外传感器可以包括红外滤光元件20、至少一个红外敏感元件30和控制芯片10。该红外滤光元件20与所述至少一个红外敏感元件30相对设置。该控制芯片10与所述至少一个红外敏感元件30连接。
例如，该热释电红外传感器可以包括外壳。该外壳包括相对设置的基板和盖板。基板中部向下凹入形成收容空间，收容空间内部用于收纳与封装红外敏感元件30和控制芯片10。即红外敏感元件30和控制芯片10设置在基板上。盖板设置有供红外滤光元件20使用的硅基窗口。红外滤光元件20安装在该硅基窗口内。例如，该红外滤光元件20可以是平面型硅基菲涅尔透镜。该红外滤光元件20的表面可以设有由小到大的同心圆，例如该同心圆可以是不同斜率的锯齿槽。底部平面蒸镀有红外增透材料层。该红外滤光元件20可以为红外敏感元件30的上方，可以起到红外滤光和红外聚焦的双重作用。
红外滤光元件20可以被配置为对红外线进行滤光。所述至少一个红外敏感元件30可以被配置为根据滤光后的红外线产生极性相反的第一电压信号V1和第二电压信号V2。
例如，当人体辐射出中心波长为约9.3微米的红外线，然后穿过红外滤光元件20，使得红外敏感元件30改变自发极化状态，电荷流动产生极性相反的第一电压信号V1和第二电压信号V2，并将该第一电压信号V1和第二电压信号V2输出到控制芯片10。
如图1所示，控制芯片10可以包括信号采集电路101、信号处理电路102和微控制单元(Microcontroller Unit，简称为MCU)103。该信号采集电路101与该信号处理电路102连接。该信号处理电路102与该微控制单元103连接。
信号采集电路101被配置为所述第一电压信号V1和所述第二电压信号V2。例如，信号采集电路101的第一输入端M1用于采集第一电压信号V1，信号采集电路101的第二输入端M2用于采集第二电压信号V2。该信号采集电路101还被配置为接收至少一个时钟控制信号。例如，该至少一个时钟控制信号可以包括同频反相的第一时钟控制信号CS1和第二时钟控制信号CS2。
在第一阶段，信号采集电路101响应于所述至少一个时钟控制信号(例如，第一时钟控制信号CS1和第二时钟控制信号CS2)，将第一电压信号V1输出到信号处理电路102的第一输入端P1，将第二电压信号V2输出到信号处理电路102的第二输入端P2。
在第二阶段，信号采集电路101响应于所述至少一个时钟控制信号(例如，第一时钟控制信号CS1和第二时钟控制信号CS2)，将第一电压信号V1输出到信号处理电路102的第二输入端P2，将第二电压信号V2输出到信号处理电路102的第一输入端P1。优选地，信号采集电路在上述第一阶段和第二阶段交替运行。
信号处理电路102被配置为对第一电压信号V1和第二电压信号V2进行信号处理以得到数字信号。这里的信号处理例如可以是放大、模数转换等处理。该信号处理电路102将数字信号输出到微控制单元103。
该微控制单元103被配置为根据数字信号输出控制信号。例如，微控制单元103可以将控制信号输出到智能开关，以控制智能开关的关断。这可以灵活控制诸如安防、家电、灯具、玩具、通信产品的红外感应功能。在一些实施例中，该微控制单元103中可以含有特殊功能寄存器(Special Function Register，SFR)，该寄存器中存储有计算机程序，例如可以存储用户需要的程序。微控制单元在接收到数字信号后，经过计算分析后得到控制信号，并将控制信号输出到外部电路，以实现对外部电路的控制。
在上述实施例中，在不同的阶段，第一电压信号V1被输入到信号处理电路的不同输入端，第二电压信号V2也被输入到信号处理电路的不同的输入端。与将第一电压信号V1固定地输入到第一输入端P1，并将第二电压信号V2固定地输入到第二输入端P2相比，本公开上述实施例的方案可以使得第一输入端P1接收的信号中的背景噪声信号与第二输入端P2接收的信号中的背景噪声信号基本一致，从而提高输出的控制信号的准确性，避免控制结果不准确。
在一些实施例中，红外滤光元件20可以是平面硅基、平面锗基、平面红外玻璃基、球面硅基、球面锗基或球面红外玻璃基的红外滤光片。
在一些实施例中，所述至少一个红外敏感元件可以包括两个或四个红外敏感元件。所述两个或四个红外敏感元件以相反极性的方式串联。这可以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。例如该红外敏感元件可以是红外陶瓷敏感元件。在一些实施例中，还可以在基板上设置对红外敏感元件起支撑作用的保持器。该保持器可以通过电路连接到控制芯片。
图2是根据本公开一些实施例的第一时钟控制信号和第二时钟控制信号的示意图。如图2所示，第一时钟控制信号CS1和第二时钟控制信号CS2的频率相同，而相位相反。例如，在第一阶段S1，第一时钟控制信号CS1为高电平，第二时钟控制信号CS2为低电平；在第二阶段S2，第一时钟控制信号CS1为低电平，第二时钟控制信号CS2为高电平。然而，本公开并不限于此，只要第一时钟控制信号CS1在第一阶段S1和第二阶段S2下的逻辑电平相反，并且，第二时钟控制信号CS2在第一阶段S1和第二阶段S2下的逻辑电平相反即可。
图3A是根据本公开另一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图。
如图3A所示，该实施例中的信号采集电路101包括第一开关111、第二开关121、第三开关131和第四开关141。
第一开关111的第一端被配置为接收第一电压信号V1，第一开关111的第二端与第一输入端P1相连，第一开关111的控制端被配置为接收第一时钟控制信号CS1。
第二开关121的第一端被配置为接收第二电压信号V2，第二开关121的第二端和第一输入端P1相连，第二开关121的控制端被配置为接收第二时钟控制信号CS2。
第三开关131的第一端被配置为接收第二电压信号V2，第三开关131的第二端和第二输入端P2相连，第三开关131的控制端被配置为接收第一时钟控制信号CS1。
第四开关141的第一端被配置为接收第一电压信号V1，第四开关141的第二端和第二输入端P2相连，第四开关141的控制端被配置为接收第二时钟控制信号CS2。
需要说明的是，虽然图3A所示的第一开关111、第二开关121、第三开关131和第四开关141可以均为NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor，N型沟道金属氧化物半导体)晶体管，但是本公开并不限于此。例如，在某些实施例中，第一开关111、第二开关121、第三开关131和第四开关141也可以均为PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor，P型沟道金属氧化物半导体)晶体管或双极型晶体管等。
如图3A所示，在第一时钟控制信号CS1为高电平、第二时钟控制信号CS2为低电平的情况下，第一开关111和第三开关131导通，第二开关121和第四开关141关断，从而使得第一电压信号V1被输入到第一输入端P1，第二电压信号V2被输入到第二输入端P2。在第一时钟控制信号CS1为低电平、第二时钟控制信号CS2为高电平的情况下，第一开关111和第三开关131关断，第二开关121和第四开关141导通，从而使得第一电压信号V1被输入到第一输入端P1，第一电压信号V2被输入到第一输入端P1。
图3B是根据本公开另一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图。如图3B所示，第一开关111和第三开关131均为NMOS晶体管，并且第二开关121和第四开关141均为PMOS晶体管。在这样的情况下，这四个开关的控制端被配置为接收相同的时钟控制信号CS，也可以实现信号采集电路的上面所述的功能。
在另一些实施例中，第一开关和第三开关可以均为PMOS晶体管，并且第二开关和第四开关可以均为NMOS晶体管。在这样的情况下，这四个开关的控制端被配置为接收相同的时钟控制信号CS，也可以实现信号采集电路的上面所述的功能。
图4是根据本公开又一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图。如图4所示，该实施例中的控制芯片10还可以包括控制信号产生电路104。该控制信号产生电路104与信号采集电路101连接。该控制信号产生电路104可以被配置为产生同频反相的第一时钟控制信号CS1和第二时钟控制信号CS2。
图5是根据本公开一些实现方式的控制信号产生电路的结构示意图。如图5所示，控制信号产生电路104可以包括第一反相器114、第二反相器124、第三反相器134、第四反相器144、第五反相器154、第六反相器164、第一或非门电路174和第二或非门电路184。
第一反相器114的输入端被配置为接收时钟信号CLK，第一反相器114的输出端连接至第二反相器124的输入端和第二或非门电路184的第一输入端B1。第二反相器124的输出端连接至第一或非门电路174的第一输入端A1。第一或非门电路174的输出端OUT1经过级联的第三反相器134和第四反相器144连接至第二或非门电路184的第二输入端B2，且输出端OUT1被配置为输出第一时钟控制信号CS1。第二或非门电路184的输出端OUT2经过级联的第五反相器154和第六反相器164连接至第一或非门电路174的第二输入端A2，且输出端OUT2被配置为输出第二时钟控制信号CS2。
图6是根据本公开一些实现方式的时钟控制信号、第一时钟控制信号和第二时钟控制信号的对应示意图。图5所示的控制信号产生电路104可以根据图6所示的时钟信号CLK产生同频反相的第一时钟控制信号CS1和第二时钟控制信号CS2。
以下以时钟信号CLK为高电平为例对控制信号产生电路104的工作原理进行介绍。
在时钟制信号CLK为高电平的情况下，第一或非门电路174的第一输入端A1为高电平，第二或非门电路184的第一输入端B1为低电平。在第一或非门电路174的第一输入端A1为高电平的情况下，第一或非门电路174的输出端OUT1输出的第一时钟控制信号CS1为低电平。低电平的第一时钟控制信号CS1经过级联的第三反相器134和第四反相器144后输入到第二或非门电路184的第二输入端B2。在第二或非门电路184的第一输入端B1和第二输入端B2均为低电平的情况下，第二或非门电路184的输出端OUT2输出的第二时钟控制信号CS2为高电平。高电平的第二时钟控制信号CS2经过级联的第五反相器154和第六反相器164后输入到第一或非门电路174的第二输入端A2。
由以上分析可知，在时钟信号CLK为高电平的情况下，第一或非门电路174的输出端OUT1输出的第一时钟控制信号CS1为低电平，第二或非门电路184的输出端OUT2输出的第二时钟控制信号CS2为高电平。类似地，在时钟信号CLK为低电平的情况下，第一或非门电路174的输出端OUT1输出的第一时钟控制信号CS1为高电平，第二或非门电路184的输出端OUT2输出的第二时钟控制信号CS2为低电平。
需要说明的是，图5给出的利用6个反相器和两个或非门来实现控制信号产生电路104的方式仅仅是一个示例性的例子。本公开并不限于此。例如，在某些实现方式中，也可以利用8个反相器和两个与门来实现控制信号产生电路，在此不再做详细介绍。
图7是根据本公开再一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图。如图7所示，该实施例中的信号处理电路102可以包括放大电路112和模数转换电路122。该放大电路112与信号采集电路101连接。该模数转换电路122分别与放大电路112和微控制单元103连接。
放大电路112被配置为将第一电压信号V1和第二电压信号V2的差值放大以得到放大信号。在一些实施例中，放大电路112进行放大的倍数可以为1至100倍，例如30倍、50倍等。
模数转换电路122被配置为将放大信号转换为数字信号，并将数字信号输出到微控制单元103。这里，数字信号中既包含了有效的传感器输出信号，也可以包含背景噪声信号。例如，模数转换电路122可以为sigma-Delta型的模数转换器(ADC)。sigma-Delta型ADC可将背景噪声高频化。优选的，模数转换电路122为16位的sigma-Delta型ADC。
在一些实施例中，参见图7，控制芯片10还可以包括放大倍数可调电路105。该放大倍数可调电路105分别与微控制单元103和放大电路112连接。放大倍数可调电路105被配置为根据从微控制单元103输出的倍数控制信号来调节放大电路112的放大倍数。
在一些实现方式中，倍数控制信号可以包括倍数调大控制信号和倍数调小控制信号。微控制单元103被配置为在第一电压信号V1和第二电压信号V2为背景噪声信号的情况下，比较数字信号的幅值与阈值的大小；在数字信号的幅值小于阈值的情况下，向放大倍数可调电路105输出倍数调大控制信号；在数字信号的幅值大于阈值的情况下，向放大倍数可调电路105输出倍数调小控制信号。相应地，放大倍数可调电路105被配置为根据倍数调大控制信号来增加放大电路112的放大倍数，根据倍数调小控制信号减小放大电路112的放大倍数。
例如，微控制单元132中可以含有特殊功能寄存器(SFR)，SFR中可以存储有设置的阈值。
上述实现方式中，在热释电红外传感器的初始化阶段，第一电压信号和第二电压信号可以为背景噪声信号，在这样的情况下，数字信号的幅值可以反映背景噪声信号的大小。通过将数字信号的幅值调整为接近阈值，可以使得控制芯片采集的信号中的背景噪声信号基本一致。如此，采用这样的控制芯片的不同热释电红外传感器在采集信号时的背景噪声信号可以基本相同，保证了热释电红外传感器的性能的一致性。
在实际应用中，放大倍数可调电路105可以通过调节输出到放大电路112的电流大小来调节放大电路112的放大倍数，也可以通过调节输出到放大电路112的电压大小来调节放大电路112的放大倍数。以下结合图8介绍放大倍数可调电路的一个例子。
图8是根据本公开一些实现方式的放大倍数可调电路的结构示意图。如图8所示，放大倍数可调电路105可以包括选择电路115和并联的多个恒流电路125。选择电路115可以被配置为根据微控制单元103输出的倍数控制信号，控制多个恒流电路125中的一个或多个恒流电路向放大电路112输出电流。
在一些实施例中，不同的恒流电路125输出的电流大小可以相同。在另一些实施例中，不同的恒流电路125输出的电流大小也可以不同。选择电路115可以控制一个或多个恒流电路125向放大电路112输出电流，从而可以控制向放大电路112输出的电流的总大小。例如，选择电路115可以根据倍数调大控制信号来减小向放大电路112输出的电流的总大小，从而增加放大电路112的放大倍数。又例如，选择电路115可以根据倍数调小控制信号来增大向放大电路112输出的电流的总大小，从而减小放大电路112的放大倍数。
在一些实现方式中，参见图8，每个恒流电路125可以包括控制晶体管T1和开关晶体管T2。控制晶体管T1的第一电极连接至电源电压端VDD，控制晶体管T1的控制电极连接至选择电路115。开关晶体管T2的第一电极连接至控制晶体管T1的第二电极，开关晶体管T2的第二电极连接至放大电路112，开关晶体管T2的控制电极连接至选择电路115。
图9是根据本公开还一些实施例的热释电红外传感器的结构示意图。如图9所示，该实施例中的信号处理电路102还可以包括与模数转换电路122连接的滤波器132。滤波器132可以将有效信号带外的噪音滤掉，确保数字信号准确反映传感器产生的模拟信号的变化。
在一些实施例中，滤波器132可以为巴特沃斯滤波器、贝赛尔滤波器、贝切雪夫滤波器中的至少一种。在一些实施例中，滤波器132可以为数字滤波器、低通滤波器、带通滤波器、模拟滤波器、声表面滤波器、介质滤波器、有源电力滤波器中的至少一种。示例性地，滤波器132的有效带宽可以为0.4Hz～7Hz。
优选的，上述滤波器132可以为巴特沃斯滤波器，且为带通滤波器，有效带宽为0.4Hz～7Hz。例如，二进制码经过巴特沃斯带通滤波器处理后形成16位的数字信号。MCU对巴特沃斯带通滤波器的输出信号，通过内置的处理软件实现高级滤波和功能控制。该MCU可以采用8位精简指令及MCU内核，含2K的程序寄存器ROM和254字节存储空间的通用寄存器RAM。
在一些实施例中，信号处理电路102中的放大电路112还可以包含补偿电路1121。补偿电路1121采用自动增益控制的方式来维持放大电路112的稳定。补偿电路1121可以采用不同的实现方式来实现，只要能够通过负反馈的方式维持放大电路112的稳定即可。
图10是根据本公开一些实现方式的补偿电路的结构示意图。如图10所示，补偿电路可以包括晶体管T11、T12、T13…以及T41。
晶体管T11的第一电极连接至电源电压端VDD，晶体管T11的控制电极用于接收第二电压V2，晶体管T11的第二电极连接至第一节点Nd1。
晶体管T12的第一电极连接至电源电压端VDD，晶体管T12的控制电极用于接收第二电压V1，晶体管T12的第二电极连接至第二节点Nd2。
晶体管T13和晶体管T14的第一电极均连接至电源电压端VDD，晶体管T13和晶体管T14的控制电极均用于接收偏置电压VBIAS，晶体管T13的第二电极连接至晶体管T15的第一电极，晶体管T14的第二电极连接至晶体管T16的第一电极。
晶体管T15和晶体管T16的控制电极均用于接收偏置电压VBIAS，晶体管T15的第二电极连接至第三节点Nd3，晶体管T16的第二电极连接至第四节点Nd4。
晶体管T17和晶体管T18的控制电极均用于接收偏置电压VBIAS，晶体管T17的第一电极连接至第三节点Nd3，晶体管T18的第一电极连接至第四节点Nd4，晶体管T17的第二电极连接至第一节点Nd1，晶体管T18的第二电极连接至第二节点Nd2。
晶体管T19和晶体管T20的控制电极均用于接收偏置电压VBIAS，晶体管T19的第一电极连接至第二节点Nd2，晶体管T20的第一电极连接至第一节点Nd1，晶体管T19的第二电极连接至晶体管T38的第一电极，晶体管T20的第二电极连接至晶体管T39的第一电极。
晶体管T21和晶体管T22的控制电极均用于接收偏置电压VBIAS，晶体管T21的第一电极连接至第二节点Nd2，晶体管T22的第一电极连接至第一节点Nd1，晶体管T21的第二电极连接至晶体管T40的第一电极，晶体管T22的第二电极连接至晶体管T41的第一电极。
晶体管T23、晶体管T24、晶体管T25、晶体管T26、晶体管T27和晶体管T28的控制电极均连接至第三节点Nd3，晶体管T23的第一电极连接至第五节点Nd5，晶体管T23的第二电极连接至晶体管T24的第一电极，晶体管T24的第二电极连接至晶体管T25的第一电极，晶体管T25的第二电极连接至晶体管T26的第一电极，晶体管T26的第二电极连接至晶体管T27的第一电极，晶体管T27的第二电极连接至晶体管T28的第一电极，晶体管T28的第二电极连接至接地端VSS。
晶体管T29、晶体管T30、晶体管T31、晶体管T32、晶体管T33和晶体管T34的控制电极均连接至第四节点Nd4，晶体管T29的第一电极连接至第五节点Nd5，晶体管T29的第二电极连接至晶体管T30的第一电极，晶体管T30的第二电极连接至晶体管T31的第一电极，晶体管T31的第二电极连接至晶体管T32的第一电极，晶体管T32的第二电极连接至晶体管T33的第一电极，晶体管T33的第二电极连接至晶体管T34的第一电极，晶体管T34的第二电极连接至接地端VSS。
晶体管T35和晶体管36的控制电极均连接至第五节点Nd5，晶体管T35和晶体管36的第一电极均连接至电源电压端VDD，晶体管T35的第二电极连接至第五节点Nd5，晶体管T36的第二电极连接至晶体管T37的第一电极。
晶体管T37的控制电极连接至第六节点Nd6，晶体管T37的第二电极连接至接地端VSS。
晶体管T38和晶体管T40的控制电极连接至第六节点Nd6，晶体管T38和晶体管T40的第二电极连接至接地端VSS。
晶体管T39和晶体管T41的控制电极连接至偏置电压VBIAS，晶体管T39和晶体管T41的第二电极连接至接地端VSS。
上述实施例中的补偿电路可以使得放大电路保持稳定。
图11是根据本公开一些实施例的控制方法的流程示意图。该控制方法可以基于上述任意一个实施例的热释电红外传感器来实现。
在步骤S1110，对红外线进行滤光。
在步骤S1120，根据滤光后的红外线产生极性相反的第一电压信号和第二电压信号。
在步骤S1130，采集第一电压信号和第二电压信号。
在步骤S1140，在第一阶段，响应于至少一个时钟控制信号，将第一电压信号输出到信号处理电路的第一输入端，将第二电压信号输出到该信号处理电路的第二输入端。例如，所述至少一个时钟控制信号包括同频反相的第一时钟控制信号和第二时钟控制信号。
在步骤S1150，在第二阶段，响应于至少一个时钟控制信号，将第一电压信号输出到信号处理电路的第二输入端，将第二电压信号输出到信号处理电路的第一输入端。
在步骤S1160，对第一电压信号和第二电压信号进行信号处理以得到数字信号。这里的信号处理例如可以是放大、模数转换等处理。
在步骤S1170，根据数字信号输出控制信号。
在上述实施例中，在不同的阶段，第一电压信号被输入到信号处理电路的不同输入端，第二电压信号也被输入到信号处理电路的不同输入端。与将第一电压信号固定地输入到第一输入端，并将第二电压信号固定地输入到第二输入端相比，本公开上述实施例的方案可以使得信号处理电路的第一输入端接收的信号中的背景噪声信号与信号处理电路的第二输入端接收的信号中的背景噪声信号基本一致，从而提高输出的控制信号的准确性，避免控制结果不准确。
在一些实施例中，图11所示控制方法还可以包括以下步骤：在第一电压信号和第二电压信号为噪声信号的情况下，比较数字信号的幅值与阈值的大小；在数字信号的幅值小于阈值的情况下，增大放大电路的放大倍数；在数字信号的幅值大于阈值的情况下，减小放大电路的放大倍数。
上述实施例中，在热释电红外传感器的初始化阶段，第一电压信号和第二电压信号可以为背景噪声信号，在这样的情况下，数字信号的幅值可以反映背景噪声信号的大小。通过将数字信号的幅值调整为接近阈值，可以使得采集的信号中的背景噪声信号基本一致。
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
可能以许多方式来实现本公开的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本公开的方法和系统。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本公开的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本公开实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本公开的方法的机器可读指令。因而，本公开还覆盖存储用于执行根据本公开的方法的程序的记录介质。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (14)

1.一种热释电红外传感器，其特征在于，包括：
红外滤光元件，被配置为对红外线进行滤光；
至少一个红外敏感元件，被配置为根据滤光后的红外线产生极性相反的第一电压信号和第二电压信号；以及
控制芯片，所述控制芯片与所述至少一个红外敏感元件连接，所述控制芯片包括：信号采集电路、信号处理电路和微控制单元；其中，
所述信号采集电路被配置为：采集所述第一电压信号和所述第二电压信号；在第一阶段，响应于至少一个时钟控制信号，将所述第一电压信号输出到所述信号处理电路的第一输入端，将所述第二电压信号输出到所述信号处理电路的第二输入端；以及在第二阶段，响应于所述至少一个时钟控制信号，将所述第一电压信号输出到所述第二输入端，将所述第二电压信号输出到所述第一输入端；
所述信号处理电路被配置为对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行信号处理以得到数字信号；
所述微控制单元被配置为根据所述数字信号输出控制信号。
2.根据权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于，
所述至少一个时钟控制信号包括同频反相的第一时钟控制信号和第二时钟控制信号。
3.根据权利要求2所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述信号采集电路包括：
第一开关，所述第一开关的第一端被配置为接收所述第一电压信号，所述第一开关的第二端与所述第一输入端相连，所述第一开关的控制端被配置为接收所述第一时钟控制信号；
第二开关，所述第二开关的第一端被配置为接收所述第二电压信号，所述第二开关的第二端和所述第一输入端相连，所述第二开关的控制端被配置为接收所述第二时钟控制信号；
第三开关，所述第三开关的第一端被配置为接收所述第二电压信号，所述第三开关的第二端和所述第二输入端相连，所述第三开关的控制端被配置为接收所述第一时钟控制信号；以及
第四开关，所述第四开关的第一端被配置为接收所述第一电压信号，所述第四开关的第二端和所述第二输入端相连，所述第四开关的控制端被配置为接收所述第二时钟控制信号。
4.根据权利要求2所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述控制芯片还包括：
控制信号产生电路，被配置为产生所述第一时钟控制信号和所述第二时钟控制信号。
5.根据权利要求4所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述控制信号产生电路包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器、第一或非门电路和第二或非门电路，其中：
所述第一反相器的输入端被配置为接收时钟信号，所述第一反相器的输出端连接至所述第二反相器的输入端和所述第二或非门电路的第一输入端，
所述第二反相器的输出端连接至所述第一或非门电路的第一输入端，
所述第一或非门电路的输出端经过级联的所述第三反相器和所述第四反相器连接至所述第二或非门电路的第二输入端，且被配置为输出所述第一时钟控制信号，
所述第二或非门电路的输出端经过级联的所述第五反相器和所述第六反相器连接至所述第一或非门电路的第二输入端，且被配置为输出所述第二时钟控制信号。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括：
放大电路，被配置为将所述第一电压信号和所述第二电压信号的差值放大以得到放大信号；以及
模数转换电路，被配置为将所述放大信号转换为数字信号，并将所述数字信号输出到所述微控制单元。
7.根据权利要求6所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述控制芯片还包括：
放大倍数可调电路，分别与所述微控制单元和所述放大电路连接，被配置为根据从所述微控制单元输出的倍数控制信号来调节所述放大电路的放大倍数。
8.根据权利要求7所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述倍数控制信号包括倍数调大控制信号和倍数调小控制信号；
所述微控制单元被配置为在所述第一电压信号和所述第二电压信号为背景噪声信号的情况下，比较所述数字信号的幅值与阈值的大小；在所述数字信号的幅值小于阈值的情况下，向所述放大倍数可调电路输出倍数调大控制信号；在所述数字信号的幅值大于所述阈值的情况下，向所述放大倍数可调电路输出倍数调小控制信号；
所述放大倍数可调电路被配置为根据所述倍数调大控制信号来增加所述放大电路的放大倍数，根据所述倍数调小控制信号减小所述放大电路的放大倍数。
9.根据权利要求7所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述放大倍数可调电路包括选择电路和并联的多个恒流电路，所述选择电路被配置为根据所述倍数控制信号，控制所述多个恒流电路中的一个或多个恒流电路向所述放大电路输出电流。
10.根据权利要求9所述的热释电红外传感器，其特征在于，每个恒流电路包括：
控制晶体管，所述控制晶体管的第一电极连接至电源电压端，所述控制晶体管的控制电极连接至所述选择电路；和
开关晶体管，所述开关晶体管的第一电极连接至所述控制晶体管的第二电极，所述开关晶体管的第二电极连接至所述放大电路，所述开关晶体管的控制电极连接至所述选择电路。
11.根据权利要求6所述的热释电红外传感器，其特征在于，
所述放大电路包含补偿电路。
12.根据权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述至少一个红外敏感元件包括两个或四个红外敏感元件，所述两个或四个红外敏感元件以相反极性的方式串联。
13.一种基于如权利要求1至12任意一项所述的热释电红外传感器的控制方法，其特征在于，包括：
对红外线进行滤光；
根据滤光后的红外线产生极性相反的第一电压信号和第二电压信号；
采集所述第一电压信号和所述第二电压信号；
在第一阶段，响应于至少一个时钟控制信号，将所述第一电压信号输出到所述信号处理电路的第一输入端，将所述第二电压信号输出到所述信号处理电路的第二输入端；
在第二阶段，响应于所述至少一个时钟控制信号，将所述第一电压信号输出到所述信号处理电路的第二输入端，将所述第二电压信号输出到所述信号处理电路的第一输入端；
对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行信号处理以得到数字信号；以及
根据所述数字信号输出控制信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一电压信号和所述第二电压信号为噪声信号的情况下，比较所述数字信号的幅值与阈值的大小；以及
在所述数字信号的幅值小于阈值的情况下，增大放大电路的放大倍数；在所述数字信号的幅值大于所述阈值的情况下，减小所述放大电路的放大倍数。
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