CN111301510A - 一种具备加热功能并具有检测人体接近的传感器检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种具备加热功能并具有检测人体接近的传感器检测系统，用于与汽车电源相连的方向盘/座椅，包括：电源，电加热模块，电容数字转换电路，控制模块；电容数字转换电路包括电容激励信号电路；电容激励信号电路产生大于1MHz的高频方波激励信号；电加热模块至少由一根通过电能而发热的第一电阻体构成，第一电阻体通过开关连接电源；还具有另外一根相邻上述第一电阻体的位置并且在第一电阻体附近设置但相互电绝缘的第二电阻体；第一电阻体中心有一个连接接头，在第二电阻体上也具有另外一个连接接头；在其中一个连接接头位置接入所述电容激励信号电路，在另外一个连接接头位置再接电容数字转换电路；电容数字转换电路与控制模块连接，控制模块输出检测人体与方向盘或者座椅接近的逻辑信号。

Description

一种具备加热功能并具有检测人体接近的传感器检测系统
技术领域
本发明涉及配设于操舵方向盘的方向盘加热器装置和座椅加热装置，特别是还具备人体接近检测功能。
背景技术
现如今，带有加热功能的方向盘和汽车座椅已经成为汽车中的基本配备。方向盘和座椅加热技术也趋于成熟。通常情况下，乘坐者可以通过控制开关来启动方向盘和座椅的加热。但有时乘坐者会忘记关闭开关，造成不必要的能源浪费。为此，本领域的技术人员开始研究具有检测人体接近功能的加热器。其中，日本特开2002-340712号公报专利公开了利用振荡电路的频率根据静电电容的变化而变化的特性来实现方向盘上的手的接触探测的检测装置。日本特开2008-24087号公报专利公开了利用座椅加热器来检测有无乘员落座的车辆用座椅装置。专利文献CN201480010578.3公开了在加热用的电热丝回路上加装一个或者二个电感器，再利用加的交流信号来测量电容，达到检测人体与方向盘的接近状况的目的。然而，以上几种技术方案存在检测灵敏度低需要额外增加大功率电子元件或检测电路比较复杂的问题，潜在地增加了整体的制造成本。
专利文献CN201480010578.3采用正玄波电压信号作为被测电容的激励信号，测量被测电容上的正玄波电压分压信号，通过平滑滤波、AD转换间接测量被测电容量的方法，测量灵敏度较低，无法测量小于PF级的电容变化，由于大功率电热丝的电阻很小(一般小于5欧姆)以及半导体电子开关的寄生电容较大导致测量回路对地阻抗太小，即便在开关断开的情况下，该正玄波电压信号也会被旁路到地，从而导致几乎无法在电热丝上测到有用的信号，因此必须在供电回路中增加额外的大功率高感抗的电感和提高激励信号频率以提高测量回路的交流阻抗(该文献建议采用5M频率，10uH的大功率电感)，才能测到较大的电压变化信号，虽然该文献指出可以仅在电热丝的一端增加大功率电感，但实际上，测量激励正玄波信号会从另一端对地旁路，由于其采用的测量电路灵敏度不高的缺陷，也无法满足测量灵敏度的要求，必须在另一端也串接另一个大功率电感才能满足系统对灵敏度的要求。大功率高感抗电感一般需要采用线圈在磁芯上缠绕制作，一方面增加的成本高；另一方面其体积也很大，在方向盘内部几乎无法布置。
本发明采用的电容数字转换电路(CDC)，例如DAI7142、ADI7147，采用Δ-Σ调制方式通过多次对被测电容进行充放电并于参考电容比较的方法(参见：US Patent Number:5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，可以将对电容的测量灵敏度提高到fF极，因此可以利用迂回布置的电热丝本身在高频条件下形成的相对较小的感抗(nH级)小幅提高测量回路的阻抗，即可满足测量系统对电容测量灵敏度的要求，因此不需要增加任何额外的大功率电子器件，从而有效降低成本和安装难度。
在检测人体接近方面，电容检测技术具有电路结构简单，成本低廉等特点，但也存在着电容变化不大而对检测分辨率的高要求，同时，电容检测极容易受到环境的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，创造一种具有简洁电路结构，充分利用产品本身加热需要的电阻丝，再发挥电容检测人体接近方面的成本优势，克服电容检测容易受到环境影响的不足，并且充分考虑汽车产品在量产上一致性难以低成本下保证的特点，开发出对不同车型无需逐一进行标定的极具通用性的人体接近的传感器检测系统。
本发明公开了一种具备加热功能并具有检测人体接近的传感器检测系统，用于与汽车电源相连的方向盘/座椅，包括：电源，电加热模块，电容数字转换电路，控制模块；所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路；所述电容激励信号电路产生大于1MHz的高频方波激励信号；所述电加热模块至少由一根通过电能而发热的第一电阻体构成，所述第一电阻体通过开关连接电源；还具有另外一根相邻上述第一电阻体的并且在第一电阻体附近设置但相互电绝缘的第二电阻体；所述第一电阻体中心有一个连接接头，在第二电阻体上也具有另外一个连接接头；在其中一个连接接头位置接入所述电容激励信号电路，在另外一个连接接头位置再接电容数字转换电路；所述电容数字转换电路与所述控制模块连接，所述控制模块输出检测人体与方向盘或者座椅接近的逻辑信号。
加热方向盘或者座椅的电热电阻丝有多种选择，包括金属电加热丝、金属丝印电路或碳纤维。一般而言，方向盘和座椅上都采用分区设置加热电阻丝的方案，每个区域都有其电热电阻体，对于方向盘而言，一般分左右区，甚至还分前后区，对于座椅，椅座上及椅背上都有可能分成多个区；分区越多，为分区检测人体的接近提供更好的基础条件。有时候，就在一个加热区，加热用的电阻体不止一根，而是多根并联接到汽车电池上；一般而言，电阻体的长度有数米，在方向盘或者座椅上的布置采用迂回布置的方式，这种布置方式，为其电感的存在打下了基础，当然，也带来产业上难以保证每个产品一致性的特点。
本发明的要旨之一就是要利用方向盘或者座椅电加热所必须的电阻体，把一根电阻体作为电容的一个电极(第一电极)，在其中心进行抽头，接上电容检测电路；本发明的要旨之二是设法构建另外一个电极(第二电极)，这个电极有二种选择，要么是本身就具备的另外一根加热电阻丝，要么是在第一电极附近加装的一个不用于加热的电线；本发明的要旨之三是充分利用目前技术比较成熟的电容数字转换电路(CDC电路)，搭建一个抗干扰能力强，结构简单，适合一般金属骨架上难有多余空间的方向盘等产品的电路，本发明采用的是在作为第一电极的第一电阻体进行中心抽头，接入电容数字转换电路，如果第二电极也是加热的电阻体，同样采用中心抽头，接入电容数字转换电路；如果第二电极是加装的非用于加热的电线电极，则接电容数字转换电路在该电线上就可以,此时，电线实际上就是一条悬空设置的电极线。上述电容数字转换电路包括电容激励信号电路；本发明选择电容激励信号电路产生大于1Mhz的高频方波激励信号，更优方案是选择大于6MHz。
通过上述的技术方案，即使绕制产品的一致性差异比较大，安装结构也难以保证一致，导致电阻体本身的分布杂散电容也出现一致性问题，本发明的方案利用了二根电极线的设置，消除了环境和产品制造、组装、安装难以保证的一致性所造成的影响，充分利用了CDC电路对杂散分布电容免疫的特长，本发明还充分利用了加热电阻体的结构特点，依靠中心抽头和选择的高频方波信号，为接入汽车电池的电阻体作为电容电极提供非常好的电容信号检测基础，最后的产品结构简单，成本极低，可靠性高而且对量产一致性要求低，通用化程度高，容易成为业内接受的技术升级改造方案。
电阻丝上进行中心抽头，连接CDC电路，由于电阻体一般有数米长度，绝对的中心是非常困难的，按照本设计，中心抽头最好是电阻体的中心，为了安装上的方便，中心在长度方向上偏差5％以内也是不太会影响检测分辨率的，即中心抽头位于总长度的45％-55％位置区间内，能够保证优异的检测性能；
为了更好地实现对人体接近的检测，降低加热器回路中作为电源的汽车电池对人体接近所带来的电容微小变化的影响，进一步在上述方案基础上，加构分时检测的办法，即在进行电阻体工作加热时，不进行检测，断开加热时，再进行人体接近的电容检测，本专利进一步在所述中心抽头回路上设置有模拟开关，所述模拟开关与所述电源连接电阻体的开关分时接通，由于脉宽调制电路(PWM电路)已经成熟，对加热电阻体的分时加热控制可以采用这些成熟的电路。
相较于现有技术，本发明的加热器的电路结构简单，对乘用车的成熟加热技术的改动极少。只要把电阻体的中心进行连接接头，将连接接头接上电容激励信号和电容数字转换电路，并加载高频信号。之后就可以利用电热丝本身绕制所形成的电感阻抗，为接入汽车电池的电阻体提供非常好的电容信号检测基础，就可以检测人体手掌接近或者把持方向盘的状况。而通过设置两根电阻体，使得两根电阻体之间形成互电容的方案使得检测精确度更高，抗干扰的能力也更强。也可以广泛地适用于各种车型，在安装后也无需再进一步调试。同理，对于座椅，也可以通过电热丝本身绕制所形成的电感阻抗检测人体是否落座的情况，为汽车安全气囊电路提供前置判断结果。
附图说明
图1为本加热器设置在方向盘上的示意图，包括图1-1的正视图，图1-2的侧视图和图1-3的背视图。
图2为本加热器设置在汽车座椅上的示意图。
图3为本加热器中电阻体的示意图。
图4自电容测量原理图。
图5为本加热器中电阻体在直流电下的等效电路图。
图6为本加热器中电阻体在交流信号下的等效电路。
图7为另外一根加热电阻体作为第二电极的实施例。
图8为加装一根非加热的电极的实施例。
图9为对应图7的等效电路图。
图10为对应图8的等效电路图。
图11为本加热器中检测电容的示意图。
图12为本加热器中电阻体的分时测量的时序图。
图13为本加热器中电阻体在加热阶段时的等效电路图。
图14为本加热器中电阻体在测量阶段时的等效电路图。
具体实施方式
图1示出方向盘的结构示意图。其中方向盘上表面D-1被划分成A,B两个区，下表面D-2划分为一个分区C。其中具备加热功能并具有检测人体接近的传感器检测系统中的电加热模块设置在方向盘上。所述所述电加热模块由通过电能而发热的电阻体构成。图3示出了电阻体1，电阻体2。所述电阻体1包括：迂回布置在方向盘上的金属电加热丝、金属丝印电路或碳纤维。优选地，方向盘被分割成A,B,C三个区域。每个区域均分别设置有具有检测人体接近功能的加热器，进而可以根据人手在方向盘的位置来决定集中加热的部分。
参照图5-6，在本加热系统中，电源3通过开关连接第一电阻体1。第一电阻体1将电源3中的电能转化为热能，进而来加热方向盘和/或座椅。其中，在接近第一电阻体1的中心部分有一连接接头5。在连接接头5上接入电容数字转换电路4。当电源3的直流电通过电阻体1时，其等效电路如图5所示。电阻体1会被连接接头5分割成两个电阻1-1和1-2。当在连接接头5上接入了高频的交流信号后，该电阻体1的等效电路则如图6所示，在高频信号下，迂回布置的电阻体1会产生等效的电感1-3和1-4。
参照图7，此外，在第一电阻体1的附近还设置有第二电阻体2。第二电阻体2邻近第一电阻体1但相互之间电绝缘。其中，在接近第一电阻体1的中心部分有一连接接头5。在第二电阻体2上也有一个连接接头5。两个连接接头分别接入电容数字转化电路，其中，在一个连接接头5上接入了电容激励信号电路4-2，另一个连接接头5上连接电容数字转换电路4-1，这二个部分可以互换，图7和9示意了把激励信号电路4-2接入第一电阻体1的方案，此时电容数字转换电路4-1接入第二电阻体2；而图8和10示意了把激励信号电路4-2接入第二电阻体2的方案，相对应，此时电容数字转换电路4-1接入第一电阻体1。如图7所示，其在第一电阻体的连接接头5上连接了电容激励信号电路4-2，而邻近的第二电阻体上连接了电容数字转换电路4-1。当第一电阻体1在高频信号下，其会形成向外发散的电场。此时，与第一电阻体1相邻的第二电阻体2则会收到第一电阻体1发散出的电场，进而在第一电阻体1和第二电阻体2之间形成互电容。参照图11，当人手接近方向盘时，第一电阻体1和第二电阻体2之间的一部分电场会通过人体流向大地，进而影响了第一电阻体1和第二电阻体2之间互电容Cx的电容值。电容数字转换电路4-1则将检测到的高频交流信号进行转换，并输出给控制模块。控制模块可以根据检测到的高频交流信号来推算出第一电阻体1和第二电阻体2之间互电容Cx的电容值。当互电容Cx的电容值出现一定变化时，控制模块则可以推断人手接近方向盘，并输出逻辑信号。
同理，参照图8，在第一电阻体1的连接接头5上连接了电容数字转换电路4-1，而邻近的第二电阻体2的连接接头5上连接了电容激励信号电路4-2。同样地，在高频信号下，第二电阻体2会形成向外发散的电场。此时，与第二电阻体2相邻的第一电阻体1则会收到第二电阻体2发散出的电场，进而在第一电阻体1和第二电阻体2之间形成互电容。其检测人体是否接近的方式与上述的第一实施例相同，因此不再赘述。
其中，第二电阻体2可以为常规的电阻丝、金属丝印电路或碳纤维，也可以为悬空设置的电极线如图8、图10所示来节省成本。所述第二电阻体2的连接接头5可以设置在一端，也可以设置在接近第二电阻体2的中心处。而高频交流信号为大于1MHz的方波交流信号。优选地，高频交流信号应为大于6MHz的方波交流信号。进而能够更进一步地减少对地旁路和干扰。通过设置第一电阻体1和第二电阻体2，并施加高频信号，使第一电阻体1和第二电阻体2之间形成互电容。能够更加精准地检测人体是否靠近。其中，由于采用具有杂散电容免疫功能的电容数字转换电路检测互电容，不受第一电阻体1和第二电阻体2对地杂散电容的影响，可以只检测在第一电阻体1和第二电阻体2之间的互电容，使得其检测精确度更高，也有很好的抗干扰能力。而且无需根据车辆的规格来调整电容数字转换电路中的阈值。能做到更高的一致性，适用性和实用性都很高。
参照图7图9，优选地，第一电阻体1和第二电阻体2均可以设置为能够加热的电阻丝。并在第一电阻体1和第二电阻体2的接近中心的位置设置连接接头5。并在一个连接接头上连接电容激励信号电路4-2，另一个连接接头上连接电容数字转换电路4-1。在大于1MHz的方波高频信号下，第一电阻体1和第二电阻体2上均会产生等效电感。等效电感起到提高电路高频阻抗的作用，使高频电容激励信号4-2不至于被旁路掉。同样地，第一电阻体1和第二电阻体2之间会形成互电容。并通过互电容来检测人体是否靠近方向盘。
参照图13图14，优选地，当第一电阻体1和第二电阻体2均设置为能够加热的电阻丝时，本系统中还设置有模拟开关，该模拟开关与电源3连接电阻体1的开关分时连通，进而使得加热器可以在不同的时段在加热状态和检测状态之间进行切换。图12示出了加热器在两个状态中的控制信号波形。其中，7为加热阶段，8为检测人体是否接近的阶段。如图13和14所示，该控制信号分别控制模拟开关6-1至6-4的开合状态。参照图13，当加热器处于加热阶段7时，模拟开关开关6-2，6-3会闭合，6-1接通电源3，6-4接通6-3，进而将第一电阻体1和第二电阻体2与直流电源3相连通。第一电阻体1和第二电阻体2会将电源3中的电能转化为热能来加热方向盘。参照图14，当加热器处于检测阶段8时，模拟开关开关6-2、6-3会断开，模拟开关开关6-1接通4，使得电阻体1与电容激励信号电路4-2连接，模拟开关开关6-4接通4，使得电阻体2和电容数字转换电路4-1相连接，并通过高频的交流信号来检测人体是否接近方向盘。
图2示出了本加热器安装在座椅上的结构。同理，也可以将座椅分割成多个区域，并分别设置具有检测人体接近功能的加热器。而设置座椅上的加热器检测方式与设置方向盘上的加热器的检测方式相同，因此不再赘述。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种具备加热功能并具有检测人体接近的传感器检测系统，用于与汽车电源相连的方向盘/座椅，包括：电源，电加热模块，电容数字转换电路，控制模块；所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路；所述电容激励信号电路产生大于1MHz的高频方波激励信号；所述电加热模块至少由一根通过电能而发热的第一电阻体构成，所述第一电阻体通过开关连接电源；还具有另外一根相邻上述第一电阻体的并且在第一电阻体附近设置但相互电绝缘的第二电阻体；所述第一电阻体中心有一个连接接头，在第二电阻体上也具有另外一个连接接头；在其中一个连接接头位置接入所述电容激励信号电路，在另外一个连接接头位置再接电容数字转换电路；所述电容数字转换电路与所述控制模块连接，所述控制模块输出检测人体与方向盘或者座椅接近的逻辑信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电阻体包括金属电加热丝、金属丝印电路或碳纤维。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，上述的高频信号大于6MHz。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电阻体分区安置在方向盘上。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电阻体分区安置在椅座和或椅背上。
6.根据权利要求4或者5所述的系统，其特征在于，所述第一电阻体和第二电阻体均为迂回布置的加热电阻丝，上述连接接头均为中心连接接头。
7.根据权利要求4或者5所述的系统，其特征在于，所述第一电阻体为迂回布置的加热电阻丝，第二电阻体为相邻第一电阻体位置悬空设置的电极线。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连接接头上安有模拟开关，该模拟开关与电源连接电阻体的开关分时接通。
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