CN113114183A

CN113114183A - 红外光电感应集成电路

Info

Publication number: CN113114183A
Application number: CN202110338923.8A
Authority: CN
Inventors: 钟杨源; 朱宇耀
Original assignee: Fuzhou Yaotianxin Electronics Co ltd
Current assignee: Fuzhou Yaotianxin Electronics Co ltd
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2021-07-13

Abstract

本发明涉及红外光电感应集成电路技术领域，特别涉及一种红外光电感应集成电路，包括模拟信号电路和数字信号电路，模拟信号电路包括红外接收信号放大模块、电压比较模块和红外发射管驱动模块，数字信号电路包括通信接口模块和控制模块，控制模块分别与通信接口模块和模拟信号电路电连接，红外接收信号放大模块分别与电压比较模块和红外发射管驱动模块电连接，通过红外接收信号放大模块、电压比较模块、红外发射管驱动模块、通信接口模块和控制模块之间的配合能够使用交流信号放大的方式，解决直流光电信号易受外界强光干扰的问题，使用配置阈值电压的方式，实现精确调节感应识别距离，还能使用周期性唤醒机制，有效降低功耗。

Description

红外光电感应集成电路

技术领域

本发明涉及红外光电感应集成电路技术领域，特别涉及一种红外光电感应集成电路。

背景技术

现有的红外光电感应集成电路一般采用以下两种方案，方案一使用带载波的红外信号进行感应，方案二则是使用红外接收三极管进行感应，但是方案一需要使用带载波解调功能的红外接收头，功耗较大，不利于带电池设备的长时间工作，方案二检测的是直流信号，易受其它光源干扰，在强光下接收三极管会饱和导致感应失灵；以上两种方案都无法实现精确调节感应识别距离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种红外光电感应集成电路，可精确调节感应识别距离，提高电路的抗干扰能力，并降低电路的功耗。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种红外光电感应集成电路，包括模拟信号电路和数字信号电路，所述模拟信号电路包括红外接收信号放大模块、电压比较模块和红外发射管驱动模块，所述数字信号电路包括通信接口模块和控制模块，所述控制模块分别与通信接口模块和模拟信号电路电连接，所述红外接收信号放大模块分别与电压比较模块和红外发射管驱动模块电连接。

本发明的有益效果在于：

通过设置红外接收信号放大模块将红外接收二极管产生的微弱交流信号进行放大，转变为一个幅值较大的信号；设置电压比较模块将该放大信号与设定的阈值电压进行比较，若大于阈值电压说明接收到的红外信号能量大于预设值，此时控制模块会输出信号通知外部连接的CPU，外部连接的CPU可通过两线串行接口配置红外光电感应集成电路的内部参数，包括阈值电压、检测周期等；本方案设计的红外光电感应集成电路，能够使用交流信号放大的方式，解决直流光电信号易受外界强光干扰的问题，使用配置阈值电压的方式，实现精确调节感应识别距离，还能使用周期性唤醒机制，有效降低功耗。

附图说明

图1为根据本发明的红外光电感应集成电路的连接框图；

图2为根据本发明的红外光电感应集成电路的红外接收信号放大模块的电路原理图；

图3为根据本发明的红外光电感应集成电路的红外发射管驱动模块的电路原理图；

图4为根据本发明的红外光电感应集成电路的电压比较模块的电路原理图；

图5为根据本发明的红外光电感应集成电路应用于发射式红外光电感应开关的应用实例；

标号说明：

1、模拟信号电路；101、红外接收信号放大模块；102、电压比较模块；103、红外发射管驱动模块；2、数字信号电路；201、通信接口模块；2011、启动停止检测电路；2012、移位寄存器；2013、地址寄存器；2014、数据缓存器；2015、数据分配器；2016、地址译码器；202、控制模块；2021、控制寄存器；2022、配置寄存器；2023、控制状态机。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1，本发明提供的技术方案：

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：

进一步的，所述红外接收信号放大模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、二极管D1和运算放大器A1，所述运算放大器A1的反相输入端分别与电阻R2的一端、电容C2的一端和电容C3的一端电连接，所述电容C3的另一端分别与电阻R3的一端和二极管D1的阴极电连接，所述运算放大器A1的正相输入端分别与电阻R4的一端、电阻R5的一端和电容C4的一端电连接，所述电阻R5的另一端与电容C4的另一端电连接且电阻R5的另一端和电容C4的另一端均接地，所述电阻R4的另一端分别与电容C5的一端和红外发射管驱动模块电连接，所述电阻R3的另一端接地，所述二极管D1的阳极与电阻R1的一端电连接且二极管D1的阳极和电阻R1的一端均接地，所述电阻R1的另一端分别与电容C1的一端和电压比较模块电连接，所述电容C1的另一端分别与电容C2的另一端、电阻R2的另一端和运算放大器A1的输出端电连接。

由上述描述可知，电阻R4、电阻R5、电容C4和电容C5构成外部偏置电路，电阻R4和电阻R5用于直流分压偏置输入，将运放的静态工作点设定在1/2电源电压，使运算放大器A1获得最大的动态范围，电容C4和电容C5用于旁路滤波；运算放大器A1的反相输入端经电阻R3和电容C3构成的隔直电路后连接二极管D1；运算放大器A1的输出端接电阻R2和电容C2到运算放大器A1的反相输入端构成反馈回路，其中电阻R2为负反馈电阻，电容C2为超前补偿电容，作用为稳定运放，减少噪声；检测信号在运算放大器A1的输出端经电阻R1和电容C1组成的隔直电路输出；当接收到红外光强度发生变化时，运算放大器A1的反相输入端会生成一个交流小信号，经过放大后输出至电压比较模块中。

进一步的，所述二极管D1为红外接收二极管。

由上述描述可知，红外接收二极管是一种具有红外光敏特性的二极管，在反向电压作用下，当接收到红外光线时红外接收二极管的反向饱和漏电流会大大增加形成光电流，光电流会随入射红外光线强度的变化而相应变化，在红外光的强度一定时，光电流的大小基本上保持恒定。当光电流通过采样电阻时，在电阻两端将得到随入射光强度变化的电压信号。

进一步的，所述红外发射管驱动模块包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D2和三极管Q1，所述三极管Q1的基极与电阻R7的一端电连接，所述电阻R7的另一端与红外接收信号放大模块电连接，所述三极管Q1的发射极与电阻R6的一端电连接，所述电阻R6的另一端接电源，所述三极管Q1的集电极与电阻R8的一端电连接，所述电阻R8的另一端与二极管D2的阳极电连接，所述二极管D2的阴极接地。

由上述描述可知，当要发射红外信号时，只需对三极管Q1的基极输出高电平使三极管进入饱和区，集电极会产生电流驱动红外发射管发射红外信号。电阻R6、电阻R7和电阻R8主要起到的是限制电流过大的作用。

进一步的，所述二极管D2为红外发射二极管。

由上述描述可知，红外发射二极管是可以将电能直接转换成红外光的发光器件，当有电流经过红外发射二极管时，就会发射出一定能量的红外光。

进一步的，所述电压比较模块包括运算放大器A2，所述运算放大器A2的输出端与控制模块电连接，所述运算放大器A2的正相输入端与红外接收信号放大模块电连接。

从上述描述可知，电压比较模块使用运算放大器A2实现，运算放大器A2的正相输入端接比较信号输入；运算放大器A2的反相输入端接阈值信号，阈值信号由可调带隙基准源提供，其输出电压可接受控制模块的配置，通过配置阈值电压值可以实现感应识别距离的调节；运算放大器A2的输出端输出比较结果，输出高电平表示红外接收强度大于阈值，检测识别有效。

进一步的，所述控制模块包括控制寄存器、配置寄存器和控制状态机，所述控制状态机分别与控制寄存器和模拟信号电路电连接，所述控制寄存器与通信接口模块电连接，所述配置寄存器分别与通信接口模块和模拟信号电路电连接。

进一步的，所述通信接口模块包括启动停止检测电路、移位寄存器、地址寄存器、数据缓存器、数据分配器和地址译码器，所述数据分配器分别与数据缓存器、地址译码器和控制模块电连接，所述移位寄存器分别与数据缓存器、启动停止检测电路和地址寄存器电连接，所述地址译码器与地址寄存器电连接。

请参照图1至图5，本发明的实施例一为：

请参照图1，一种红外光电感应集成电路，包括模拟信号电路1和数字信号电路2，所述模拟信号电路1包括红外接收信号放大模块101、电压比较模块102和红外发射管驱动模块103，所述数字信号电路2包括通信接口模块201和控制模块202，所述控制模块202分别与通信接口模块201和模拟信号电路1电连接，所述红外接收信号放大模块101分别与电压比较模块102和红外发射管驱动模块103电连接。

请参照图2，所述红外接收信号放大模块101包括电阻R1(电阻值为51KΩ)、电阻R2(电阻值为300KΩ)、电阻R3(电阻值为24KΩ)、电阻R4(电阻值为51KΩ)、电阻R5(电阻值为51KΩ)、电容C1(电容值为100nF)、电容C2(电容值为35pF)、电容C3(电容值为10nF)、电容C4(电容值为10nF)、电容C5(电容值为100nF)、二极管D1和运算放大器A1，所述运算放大器A1的反相输入端分别与电阻R2的一端、电容C2的一端和电容C3的一端电连接，所述电容C3的另一端分别与电阻R3的一端和二极管D1的阴极电连接，所述运算放大器A1的正相输入端分别与电阻R4的一端、电阻R5的一端和电容C4的一端电连接，所述电阻R5的另一端与电容C4的另一端电连接且电阻R5的另一端和电容C4的另一端均接地，所述电阻R4的另一端分别与电容C5的一端和红外发射管驱动模块103电连接，所述电阻R3的另一端接地，所述二极管D1的阳极与电阻R1的一端电连接且二极管D1的阳极和电阻R1的一端均接地，所述电阻R1的另一端分别与电容C1的一端和电压比较模块102电连接，所述电容C1的另一端分别与电容C2的另一端、电阻R2的另一端和运算放大器A1的输出端电连接。

所述二极管D1为红外接收二极管，型号为PD438B。

请参照图3，所述红外发射管驱动模块103包括电阻R6(电阻值为330Ω)、电阻R7(电阻值为2KΩ)、电阻R8(电阻值为10Ω)、二极管D2和三极管Q1，所述三极管Q1的基极与电阻R7的一端电连接，所述电阻R7的另一端与红外接收信号放大模块101电连接，所述三极管Q1的发射极与电阻R6的一端电连接，所述电阻R6的另一端接电源，所述三极管Q1的集电极与电阻R8的一端电连接，所述电阻R8的另一端与二极管D2的阳极电连接，所述二极管D2的阴极接地。

所述二极管D2为红外发射二极管，其型号为IR204C。

请参照图4，所述电压比较模块102包括运算放大器A2和可调带隙基准源BANDGAP，所述运算放大器A2的输出端与控制模块202电连接，所述运算放大器A2的正相输入端与红外接收信号放大模块101电连接，所述运算放大器A2的反相输入端与可调带隙基准源BANDGAP的输出端电连接，所述可调带隙基准源BANDGAP的输入端与控制模块202电连接。

请参照图1，所述控制模块202包括控制寄存器2021、配置寄存器2022和控制状态机2023，所述控制状态机2023分别与控制寄存器2021和模拟信号电路1电连接，所述控制寄存器2021与通信接口模块201电连接，所述配置寄存器2022分别与通信接口模块201和模拟信号电路1电连接。

所述控制模块202还包括时钟振荡电路，所述时钟振荡电路与控制状态机2023电连接。

控制模块202有如下特征：

(1)控制寄存器2021和配置寄存器2022由多组8位D触发器构成，控制寄存器2021保存的是对内部状态机的控制信息，配置寄存器2022保存的是对内部模拟电路的配置数据。

(2)控制状态机2023使用有限状态机结构设计，负责读取控制寄存器2021状态并输出时序控制信号给受控电路。

(3)时钟振荡电路输出信号频率为32kHz，为状态机提供时钟基准。

所述控制模块202可采用周期性工作方式，每隔一段周期启动一次检测工作，在周期间隔中电路处于休眠状态以降低功耗。

请参照图1，所述通信接口模块201包括启动停止检测电路2011、移位寄存器2012、地址寄存器2013、数据缓存器2014、数据分配器2015和地址译码器2016，所述数据分配器2015分别与数据缓存器2014、地址译码器2016和控制模块202电连接，所述移位寄存器2012分别与数据缓存器2014、启动停止检测电路2011和地址寄存器2013电连接，所述地址译码器2016与地址寄存器2013电连接。

通信接口模块201采用外部时钟控制，通信速率可达3.4Mb/s。通信接口模块201为两线串行接口，可通过接口对集成电路内部的工作周期、阈值电压、检测结果等数据进行读写访问，有如下特征：

(1)启动停止检测电路2011应用两个D触发器实现检测SDA在SCL为高电平时的电平跳变。

(2)移位寄存器2012电路由9个D触发器串联成9级移位寄存器2012，包括8位字节和1位应答位，实现SDA上数据的串并行转换。寄存器复位值为“111111110”，在第9个时钟时输出低电平作为应答信号。

(3)地址寄存器2013由7个D触发器组成，串行通信发送的第一个字节作为地址位保存在7位的地址寄存器2013中。

(4)地址译码电路由门电路组成布尔代数式逻辑，对地址寄存器2013内的现有地址数据进行译码，并输入给数据分配器2015。

(5)数据分配器2015根据地址译码结果使能对应的数据通路，把数据缓存的值输出给当前地址对应的寄存器。

本方案设计的红外光电感应集成电路不是持续工作，而是周期性工作，在每个工作周期内，分为休眠周期和检测周期，在休眠周期内电路处于休眠状态几乎不消耗电能；在检测周期内启动电路，驱动红外发射管驱动模块103发射能量同时输出有效的偏置电压激活红外接收信号放大模块101。

请参照图5，为本方案设计的红外光电感应集成电路应用于反射式红外光电感应开关的一个应用实例，芯片的通信引脚SDA、SCL、INT与CPU相连接，红外发射二极管的阳极接芯片的红外发射驱动引脚IRTX，阴极接地；红外接收二极管的阴极接芯片的红外信号接收引脚IRRX，阳极接地。整个电路放置在感应面板上，红外发射与接收二极管之间有黑色屏蔽罩进行隔离，当有物体接近感应面板到一定距离时，接收管感应电流到达阈值条件，芯片内部对应存储器即置位，INT引脚会输出中断信号通知CPU，此时CPU可读取到检测有效的结果。

本方案设计的红外光电感应集成电路按照如下方式进行封装：引脚1为端口SDA，引脚2为端口SCL，引脚3为端口INT，引脚4为端口GND，引脚5为端口IRTX，引脚6为端口IRRX，引脚7为端口EN，引脚8为端口VDD，具体可参照表1。

引脚编号	引脚名称	功能描述
			1	SDA	串行通信数据信号端口
2	SCL	串行通信时钟信号端口
			3	INT	中断信号输出端口
4	GND	地端口
			5	IRTX	红外发射驱动端口
6	IRRX	红外信号接收端口
			7	EN	芯片使能端口
8	VDD	电源端口

表1

综上所述，本发明提供的一种红外光电感应集成电路，通过设置红外接收信号放大模块将红外接收二极管产生的微弱交流信号进行放大，转变为一个幅值较大的信号；设置电压比较模块将该放大信号与设定的阈值电压进行比较，若大于阈值电压说明接收到的红外信号能量大于预设值，此时控制模块会输出信号通知外部连接的CPU，外部连接的CPU可通过两线串行接口配置红外光电感应集成电路的内部参数，包括阈值电压、检测周期等；本方案设计的红外光电感应集成电路，能够使用交流信号放大的方式，解决直流光电信号易受外界强光干扰的问题，使用配置阈值电压的方式，实现精确调节感应识别距离，还能使用周期性唤醒机制，有效降低功耗。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种红外光电感应集成电路，其特征在于，包括模拟信号电路和数字信号电路，所述模拟信号电路包括红外接收信号放大模块、电压比较模块和红外发射管驱动模块，所述数字信号电路包括通信接口模块和控制模块，所述控制模块分别与通信接口模块和模拟信号电路电连接，所述红外接收信号放大模块分别与电压比较模块和红外发射管驱动模块电连接。

2.根据权利要求1所述的红外光电感应集成电路，其特征在于，所述红外接收信号放大模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、二极管D1和运算放大器A1，所述运算放大器A1的反相输入端分别与电阻R2的一端、电容C2的一端和电容C3的一端电连接，所述电容C3的另一端分别与电阻R3的一端和二极管D1的阴极电连接，所述运算放大器A1的正相输入端分别与电阻R4的一端、电阻R5的一端和电容C4的一端电连接，所述电阻R5的另一端与电容C4的另一端电连接且电阻R5的另一端和电容C4的另一端均接地，所述电阻R4的另一端分别与电容C5的一端和红外发射管驱动模块电连接，所述电阻R3的另一端接地，所述二极管D1的阳极与电阻R1的一端电连接且二极管D1的阳极和电阻R1的一端均接地，所述电阻R1的另一端分别与电容C1的一端和电压比较模块电连接，所述电容C1的另一端分别与电容C2的另一端、电阻R2的另一端和运算放大器A1的输出端电连接。

3.根据权利要求2所述的红外光电感应集成电路，其特征在于，所述二极管D1为红外接收二极管。

4.根据权利要求1所述的红外光电感应集成电路，其特征在于，所述红外发射管驱动模块包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D2和三极管Q1，所述三极管Q1的基极与电阻R7的一端电连接，所述电阻R7的另一端与红外接收信号放大模块电连接，所述三极管Q1的发射极与电阻R6的一端电连接，所述电阻R6的另一端接电源，所述三极管Q1的集电极与电阻R8的一端电连接，所述电阻R8的另一端与二极管D2的阳极电连接，所述二极管D2的阴极接地。

5.根据权利要求4所述的红外光电感应集成电路，其特征在于，所述二极管D2为红外发射二极管。

6.根据权利要求1所述的红外光电感应集成电路，其特征在于，所述电压比较模块包括运算放大器A2，所述运算放大器A2的输出端与控制模块电连接，所述运算放大器A2的正相输入端与红外接收信号放大模块电连接。

7.根据权利要求1所述的红外光电感应集成电路，其特征在于，所述控制模块包括控制寄存器、配置寄存器和控制状态机，所述控制状态机分别与控制寄存器和模拟信号电路电连接，所述控制寄存器与通信接口模块电连接，所述配置寄存器分别与通信接口模块和模拟信号电路电连接。

8.根据权利要求1所述的红外光电感应集成电路，其特征在于，所述通信接口模块包括启动停止检测电路、移位寄存器、地址寄存器、数据缓存器、数据分配器和地址译码器，所述数据分配器分别与数据缓存器、地址译码器和控制模块电连接，所述移位寄存器分别与数据缓存器、启动停止检测电路和地址寄存器电连接，所述地址译码器与地址寄存器电连接。