CN1184454C - 具有热电传感器的物体检测装置 - Google Patents

Abstract

一种物体检测装置，其利用提供感测电流的热电传感器、提供与感测电流成比例的放大电压的电压放大器以及当放大电压超过检测阈值时就提供检测信号的电平监视器。该装置具有待机模式，在该模式下，电压放大器接收有限源电流，以提供低放大倍数的电压，当低放大倍数的电压超过比检测阈值低的初始阈值时，电平监视器提供唤醒信号。该装置响应唤醒信号切换到工作模式，在该模式下，放大器接收额定源电流，以提供高放大倍数的电压，用于与检测阈值进行比较。由此，在没有唤醒信号的情况下，这能使放大器保持在低电力消耗状态，从而减少了电力需求。

Description

具有热电传感器的物体检测装置

技术领域

本发明涉及利用热电红外辐射传感器的物体检测装置，具体涉及用于检测室内或空间内出现的人的监视装置。

背景技术

在日本实用新型公开第2-9891号和日本专利公开第6-3366号中公开了一种典型的物体检测装置。该检测装置利用热电传感器和I/V转换器，热电传感器一接收到人体的红外辐射就产生感测电流，I/V转换器将感测电流转换成电压。该装置需要电压放大器将来自I/V转换器的电压放大到其电平足能与识别人体出现的阈值相比较的放大电压。当放大电压超过阈值时，检测器提供检测信号，然后对该信号进行处理，以产生启动例如警报装置等外部装置的控制输出。该装置可以这样设计，一旦装置接通电源，就从电源送来额定电流，从而使所有的电子部件包括电压放大器和检测器全部运作。因此，即使在不存在一定电平的红外辐射不产生检测信号的情况下即没有人体出现的情况下，该装置也要消耗电力。因此，现有装置浪费电力，且当电池用作该装置的电源时必须频繁更换电池。

发明内容

基于上述问题，本发明已经能够提供一种改进的物体检测装置，该装置能减少电力消耗，同时还能维持可靠的物体检测。依照本发明，物体检测装置利用热电传感器，该传感器能根据由物体入射的红外辐射量的变化产生感测电流。该装置设置有I/V转换器，用以将感测电流转换成相应的电压，然后该电压被电压放大器放大到放大电压。该装置包括具有电平监视器的检测器，该检测器能对放大电压和预定检测阈值进行比较，以便当放大电压相对于检测阈值满足检测标准时它就提供检测信号。然后对检测信号进行处理，产生启动外部装置的控制输出。当从电源接收有限源电流时，电压放大器能够提供受限制的低幅电压输出，当从电源接收比有限源电流更高的额定源电流时，电压放大器提供高幅额定电压输出。检测器带有阈值选择器，该阈值选择器除了具有上面的检测阈值外，还具有比检测阈值低的初始阈值，通常该阈值选择器能将初始阈值提供给电平监视器。电平监视器对来自电压放大器的受限电压输出与初始阈值进行比较，当受限电压输出相对于初始阈值满足初始标准时，提供唤醒信号。阈值选择器响应唤醒信号，将初始阈值转换成检测阈值。该装置内还包括了模式选择器，阈值选择器响应唤醒信号而提供工作模式，以便将来自电源的额定源电流供应给电压放大器，由此电平监视器对来自电压放大器的额定电压输出与检测物体的检测阈值进行比较，另外，阈值选择器还提供待机模式，以便将来自电源的有限源电流供给电压放大器。于是，当热电传感器产生对检测物体出现无关紧要的较小电流时，该装置能够保持在消耗较少电力的待机模式，一旦热电传感器产生临界输出，该装置就切换到工作模式，在该模式下，电压放大器给出电平足能获得可靠检测的额定电压输出。因此，本发明的主要目的是提供一种能够减少电力消耗还能保证可靠检测的物体检测装置。

模式选择器能自检测信号第一次出现开始持续保持工作模式状态达预定时间范围，此后切换回待机模式，由此可避免物体检测后不必要的电力消耗。在该组合中，在该时间范围内每当检测信号后面跟着另一个检测信号时，模式选择器优选将时间范围重新设置到开始，由此延长了成功且可靠地检测物体的工作模式。

模式选择器可以设置从外部装置接收复位信号的复位输入端。当启用复位输入时，模式选择器一看到检测信号第一次出现就强行将工作模式切换成静止模式，即保持向电压放大器提供有限源电流的模式，同时中止电平监视器，保持静止模式直到在复位输入端接收到的复位信号为止。由此，能够使装置与外部装置联锁起来或密切相关，以便将电力消耗保持在最小水平，同时外部装置作出反应，发挥其专用功能，例如响应控制输出打开照明设备，由此降低了电力消耗。

为了迅速启动该装置进行可靠检测，模式选择器优选能在该装置接通电源后立即仅向电压放大器提供比额定源电流更大的初始化电流达预定初始化时间段。另外，紧接着初始化时间段，模式选择器优选选择静止模式达预定的稳定时间段，此后将静止模式切换成待机模式。由此，本身需要很大初始化电流的电压放大器能够迅速为可靠工作作好准备。稳定期间过后，该装置的各部件稳定到为进行可靠检测作好准备，同时消除了稳定时段期间由于电压放大器的不稳定输出引起错误电路运作而导致错误检测的可能性。

电压放大器可以是两级放大器，具有前级放大部分和后级放大部分。在该组合中，模式选择器能在待机模式下向前级和后级放大部分提供有限源电流，并在工作模式下向前级放大部分提供有限源电流，向后级放大部分提供额定源电流。利用两级放大器和仅改变提供给后级放大部分的电流电平的有关电路，与将进入放大器的整个电流从有限电平变为额定电平的情况相比，可以进一步降低电力消耗。

另外，为了在工作模式下使电力消耗最小，同时还能维持可靠检测，电压放大器优选产生额定电压输出，该电压输出就在检测阈值上方的电平处达到饱和。

优选地，阈值选择器包括第一分压器和第二分压器，第一分压器由参考电压提供初始阈值，第二分压器由同一参考电压提供检测阈值。第一分压器由第一电阻串联组合而成，而第二分压器由第二电阻串联组合而成。选择第一电阻，使它们的阻值高于第二电阻的阻值，以便实现以下有益效果：降低了利用阻值高的第一电阻给出初始阈值的第一分压器上的电力消耗，同时能使第二分压器借助于阻值低的第二电阻精确地给出检测阈值。由于第一和第二电阻优选从能集成在芯片中使装置电路微型化的那些电阻中选择，并由于现有类型的电阻随着想要的阻值降低而能给出精确的电阻值，因此第二分压器利用电阻低的第二电阻为可靠的物体检测提供精确的检测阈值，同时第一分压器利用电阻高的第一电阻在提供初始阈值时消耗较少电力，所述初始阈值对物体检测是无关紧要的，与检测阈值相比它是个大概值。例如，第一电阻可从不掺杂的多晶硅电阻和MOS(金属氧化物半导体)晶体管中选择，而第二电阻可从掺杂过的多晶硅电阻中选择。

结合附图对优选实施例进行的以下描述将使本发明的这些和其它一些目的和有利特征更加清楚。

附图说明

图1是表示根据本发明优选实施例的物体检测装置的电路方框图；

图2是表示上述装置的电流调节器及其相关电路的电路图；

图3是上述装置中使用的电压放大器的电路图；

图4是说明上述装置运作的波形图；

图5是说明模式选择器运作的波形图；

图6是上述装置中使用的阈值选择器的电路图；

图7是表示可用于上述装置的改进的电流调节器及其有关电路的电路图；

图8是结合上述改进的电流调节器所使用的电压放大器的电路图。

具体实施方式

现在参照图1，其示出了根据本发明优选实施例的一种物体检测装置。该装置被用于监视房间或类似空间，其适配于诸如照明设备、报警设备等外部装置，一旦检测到房间内的人体时就启动外部装置。该装置利用了热电传感器10，它能产生与来自人体的入射红外辐射变化量成比例的感测电流。感测电流被馈送到I/V转换器20，在此感测电流被转换成相应的电压。然后在电压放大器30中将电压放大，将电压输出提供给检测人体的检测器40。放大器30具有偏置电压V_OFF，如图4所示，输出电压V_OUT与来自热电传感器10的感测电流数量成比例，并在偏置电压上下变化。

检测器40包括电平监视器50、阈值选择器60、控制输出发生器70，通常，阈值选择器60向电平监视器50提供两个阈值，即初始阈值TH1和检测阈值TH2(＞TH1)。在电平监视器50内，来自放大器30的输出电压V_OUT选择性地与TH1(-TH1)和TH2(-TH2)相比较，当电压输出满足关系V_OUT＞TH1或V_OUT＜-TH1时产生唤醒信号，当电压输出满足关系V_OUT＞TH2或V_OUT＜-TH2时产生检测信号。控制输出发生器70响应检测信号在输出端41产生控制输出，以启动外部装置。正如将在后面讨论的，唤醒信号用于将作为消耗较少电力的缺省模式的待机模式切换成对物体进行可靠检测的工作模式。将待机模式定义为向I/V转换器20、电压放大器30、电平监视器50和控制输出发生器70提供有限源电流，以便在最小操作电平下将它们启动，工作模式定义为向以上部件提供比有限电流高的额定源电流，以便在其满容量下启动它们，从而获得可靠且相符的检测结果。

为了实现该目的，该装置设置有模式选择器80，其包括控制器90、电流调节器100、定时器120。控制器90用于将待机模式切换成工作模式和进行相反切换。电流调节器100能使由控制器90指定的不同电平的源电流流过，该源电流包括：例如，约为0.03μA到0.09μA的有限源电流、约为0.18μA到0.6μA的额定源电流和比额定电流高的初始化电流。如图2所示，电流调节器100包括：恒流源101、多个FET102到107和开关111到13。恒流源101通过FET由电源Vdd供应参考电流I₁₀₃，同时FET103和104的串联组合跨接电流源101和FET102的串联组合，以便流过镜象电流I₁₀₃。正如所示出的那样，与FET104跨接的是三组串联组合，其中每组串联组合由开关111到113中的每一个和FET105到107中的每一个组成，由此通过切换开关111到113的选择性的通断，可改变镜象电流I₁₀₃。随着镜象电流I₁₀₃的变化，为了接收对应的变化电压而连接的就向I/V转换器20、电压放大器30、电平监视器50和控制输出发生器70提供有限源电流、额定源电流和初始化源电流中的一个。例如，如图中所示，电压放大器30包括两个FET33和34，它们的栅极都连接起来，用于接收与镜象电流I₁₀₃对应的电压，以便流过作为来自电源Vdd的有限源电流、额定源电流和初始化源电流之一的电流I₃₃和I₃₄。借此，电压放大器30能有选择地提供与来自I/V转换器20的电压成比例的受限电压输出，提供与来自I/V转换器20的电压成比例的额定电压输出，并完成初始化，正如将在后面要描述的那样。

如图3所示，电压放大器30是两级放大器，其包括前级放大部分31和后级放大部分32。这些部分31和32包括电流调节FET33和34，它们响应于流过电流调节器100的镜象电流I₁₀₃，使源电流I₃₃和I₃₄从电源Vdd分别流到前级放大部分31和后级放大部分32。FET31和32的栅极是相连的，用以接收与电流控制输入端35上的镜象电流I₁₀₃相对应的电压。前级放大部分31包括用于接收预定参考电压的参考电压输入端36和用于从I/V转换器20接收电压以便将其放大的电压输入端37。后级放大部分32包括将放大后的输出提供给电平监视器50的输出端38。

此外，I/V转换器20也是两级结构，其具有两个并行的电流调节FET23和24，它们连接在电源Vdd与接地之间，其栅极都连接起来，用以接收与电路I₁₀₃相对应的电压，以便流过作为有限源电流、额定源电流和初始化源电流之一的电流I₂₃和I₂₄，从而向电压放大器30提供对应输出。同样，电平监视器50和输出控制器70分别包括电流调节FET53和73，以便流过作为上述不同源电流之一的各个电流I₅₃和I₇₃。在该组合中要注意，可通过选择具有不同特性的相应FET使这些源电流I₃₃、I₃₄、I₂₃、I₂₄、I₅₃和I₇₃做到彼此不同。

通常将控制器90设定为产生待机模式，在该模式下，电流调节器100响应它，使有限源电流流过，阈值选择器42通常设定为向电平监视器50提供初始阈值TH1，以便使电平监视器50把输出电压V_OUT作为来自电压放大器30的受限电压即放大倍数低的电压，并将该电压与初始阈值TH1作比较。如图4所示，当发现V_OUT＞TH1或V_OUT＜-TH1时，电平监视器50将唤醒信号提供给阈值选择器60以及模式选择器80的控制器90。这些情况一发生，阈值电平选择器60就将检测阈值VTH2提供给电平监视器50，同时，控制器90选择工作模式，以便使放大器30将输出电压V_OUT作为额定电压输出，即作为高放大倍数的电压输出。于是，当V_OUT＞TH1或V_OUT＜-TH1时，电平监视器50开始将电压输出V_OUT与检测阈值TH2作比较，并产生检测信号。检测信号表示人体出现，并被转换成启动外部设备的控制信号。

当检测信号产生时，控制器90产生响应，以启动定时器120开始计时，并在定时器计算了预定时间范围T后，控制器将工作模式切回待机模式，于是让装置准备检查下一个唤醒信号。另外，在时间范围T内，控制器90不断检查是否产生了后续的检测信号，并且每当证实在时间范围T内有后续检测信号时，控制器90就将定时器120重新设置成开始计时，于是只要将这种事件通知给外部装置的检测信号连续出现，就会延长时间范围T。

控制器90任选地设有接收来自外部装置的复位信号的复位端91。当复位端91与外部装置相连时，一旦证实存在检测信号，控制器90就开始选择静止模式，并保持静止模式直到从外部装置接收到复位信号为止。将静止模式定义为：保持向I/V转换器20、放大器30、电平监视器50和控制输出发生器70供应有限源电流，同时中止电平监视器50即忽略电平监视器50的结果的模式。于是，这样可以在外部装置响应的同时最大限定地降低电力消耗，还能避免产生触发工作模式的唤醒信号。当仅需要外部装置响应检测信号的第一次出现而启动有限时段时，这是特别有利的。

为了降低产生检测信号时放大器30上的电力消耗，可选择这样的放大器30，如图5所示，在被供应额定源电流时，其刚好在检测阈值TH2上方或刚好在-TH2下方使电压输出V_OUT饱和。

如图6所示，阈值选择器60包括向电平监视器50提供初始阈值TH1的第一分压器和提供检测阈值TH2的第二分压器。第一分压器是在电源Vdd与接地之间与开关63串联的第一电阻61的串联组合，而第二分压器是在电源与接地之间与开关64串联的第二电阻器62的串联组合。第一电阻61之间的接点通过开关66与电平监视器50相连，而第二电阻器62之间的接点通过开关65与电平监视器50连接。通常，开关63和65是关闭的，以便向电平监视器50提供初始阈值TH1。当从电平监视器50接收到唤醒信号时，开关64和66关闭，以便将检测阈值TH2提供给电平监视器50。考虑到，由于初始阈值对人体的检测无关紧要，所以初始阈值是大概值，同时为了可靠地进行检测，检测阈值必需精确，另外现有的电阻元件能够连同装置的其它电子元件集成到半导体芯片上，这些电阻随着阻值降低所展现出的电阻更精确，因此可以预期的是在本发明中利用阻值较高的第一电阻61和阻值较低的第二电阻62。借此，利用精确确定的检测阈值可以提供可靠的人体检测，在利用阻值较高的第一电阻提供初始阈值时还能降低电力消耗。例如，第一电阻61选自未掺杂的多晶硅电阻或MOS(金属氧化物半导体)晶体管，而第二电阻选自掺杂过的多晶硅电阻。

另外，为了快速而又可靠地进行物体检测，将该装置一接通电源就能迅速变稳定。为了该目的，控制器90对该装置电源开关130的接通作出响应，以提供初始化期间，在该期间，允许高于额定电流的初始化电流流过I/V转换器20和电压放大器30，以便使这些高电流消耗的电路迅速运作，并使有效电流流到低电流消耗电路的电平监视器50和控制输出发生器60。紧随其后，控制器90选择中止电平监视器50的输出达预定稳定时间的静止模式，在该期间，供给有限源电流，使整个电路稳定到为进行可靠检测作好准备，这解除了由于各电路、特别是I/V转换器20和电压放大器30的不稳定输出引起的错误操作。此后，控制器90将静止模式切换到待机模式，允许电平监视器50输出，以便进行检测人体的预期操作。

图7和8表示改进的电流调节器100A及其相关电路，它们类似于上面实施例中使用的那些电路，但是它们能切换供应到I/V转换器20的后级放大器和电压放大器30的后级放大器的电流，同时使有限源电流恒定地流到I/V转换器20的前级放大器、电压放大器30的前级放大器、电平监视器50和控制输出发生器70。在该组合中，如图8所示，放大器30这样构造，前级放大部分31的FET33和后级放大部分32的FET34具有单独的栅极，用以分别通过电流控制输入端35A和35B从电流调节器100A接收不同电平或不同电压的电流I_103A和I_103B。如图7所示，电流调节器100A除包括跨接电源Vdd的恒流源101A和FET102A外，还包括：前端电流发生器121，其由FET103A、104A、105A和开关111A组成，用以提供前端镜象电流I_103A；后端电流发生器122，其由FET103B、104B、105B以及开关111B、112B和113B组成，用以提供后端镜象电流I_103B。为了使有限源电流I₂₃、I₃₃、I₅₃和I₇₃从电源Vdd流到各个电路20、30、50和70中，将前端镜象电流I_103A作为对应的电压被送到I/V转换器20的前级放大部分别的电流调节FET23的栅极、放大器30的前级放大部分别的电流调节FET33的栅极、电平监视器50的电流调节FET53的栅极、以及控制输出发生器70的电流调节FET37的栅极的对应电压。同样，为了通过开关111B、112B和113B的选择性触发使作为有限源电流、额定源电流和初始化电流之一的电流I₂₄和I₃₄从电源Vdd流到后级放大部分，将后端镜象电流I_103B作为对应的电压被送到I/V转换器20的后级放大部分22的电流调节FET24的栅极、放大器30的后级放大部分32的电流调节FET34的栅极。

在没有来自电平监视器50的唤醒信号情况下，模式选择器80的控制器90调整后端电流发生器122的开关111B、112B和113B，以便使后端镜象电流I_103B差不多等于前端镜象电流I_103A，从而使有限源电流I₂₄和I₃₄流到I/V转换器20和放大器30的后级放大部分，其中所述有限源电流差不多等于那些由前端镜象电流I_103A引起的电流I₂₃、I₃₃、I₅₃和I₇₃。当证实产生了唤醒信号时，控制器90被切换，以提供比前端镜象电流I_103A更大的后端镜象电流I_103B，由此使额定源电流I₂₄和I₃₄流到I/V转换器20和放大器30的后级放大部分，其中所述额定源电流大于那些由前端镜象电流I_103A产生的电流I₂₃、I₃₃、I₅₃和I₇₃。于是，当装置切换到工作模式时，为了实现预定性能，高电平的额定电流仅供应给I/V转换器20和放大器30的后级放大部分，由此避免了前级放大部分产生的不必要的高电流消耗。可将装置接通电源最开始阶段需要的高初始化电流仅馈送到I/V转换器20和放大器30的后级放大部分，而将有限源电流馈送到I/V转换器20和放大器30的前级放大部分，以及馈送到电平监视器50和控制输出发生器70。在该意义上，电流调节器100A也构造得能通过选择性地触发开关111B和113B来提供比额定源电流更高的初始化电流。

Claims (11)

1.一种物体检测装置，包括：

热电传感器(10)，该传感器能根据从物体入射到所述传感器上的红外辐射量的变化产生感测电流；

I/V转换器(20)，将来自所述热电传感器的所述感测电流转换成相应的电压；

电压放大器(30)，能将来自I/V转换器的所述电压放大到放大电压；

包括电平监视器(50)的检测器(40)，将所述放大电压与预定检测阈值(TH2)作比较，当所述放大电压相对所述阈值满足检测标准时，该检测器就提供检测信号，所述检测器响应所述检测信号产生控制输出，该控制输出表示对物体的检测结果并适于启动外部装置；

其特征在于：

所述电压放大器在接收到有限源电流时提供低幅度的受限电压输出，在接收到比所述有限源电流大的额定源电流时提供高幅度的额定电压输出，

所述检测器包括阈值选择器(60)，该阈值选择器具有所述检测阈值(TH2)和比所述检测阈值低的初始阈值(TH1)，通常该阈值检测器设定为将初始阈值提供给所述电平监视器，

所述电平监视器将来自所述电压放大器的受限电压输出与初始阈值作比较，当受限电压输出相对于初始阈值满足初始标准时它就提供唤醒信号；

所述阈值选择器响应所述唤醒信号，将所述初始阈值切换成所述检测阈值；以及

所述装置还包括模式选择器(80)，它响应唤醒信号，为把所述额定源电流从电源供应给所述电压放大器而提供工作模式，由此，所述电平监视器为了检测物体将额定电压输出与所述检测阈值作比较，另外，模式选择器还提供待机模式，用以将所述有限源电流从所述电源供应给所述电压放大器。

2.根据权利要求1所述的物体检测装置，其特征在于所述模式选择器(80)自检测信号第一次出现持续保持所述工作模式达预定时间复位，此后强行切回到待机模式。

3.根据权利要求2所述的物体检测装置，其特征在于每当在所述时间范围内所述检测信号后面跟着另一个检测信号，所述模式选择器(80)就将所述时间范围重置到开始。

4.根据权利要求1所述的物体检测装置，其特征在于所述模式选择器具有复位输入端(91)，用于从所述外部装置接收复位信号，所述模式选择器一看到所述检测第一次出现就强行将所述工作模式切换成静止模式，用以持续将所述有限源电流从所述电源供应给所述电压放大器，同时中止所述电平监视器，并保持所述静止模式直至在所述复位输入端接到所述复位信号。

5.根据权利要求1所述的物体检测装置，其特征在于所述装置一接通电源，所述模式选择器就立即仅向所述电压放大器提供比所述额定电流大的初始化电流达预定初始化时间段。

6.根据权利要求5所述的物体检测装置，其特征在于紧接着所述初始化时间段，所述模式选择器选择将所述有限源电流提供给所述放大器同时中止所述电平监视器达预定稳定时间段的静止模式，此后将静止模式切换成所述待机模式。

7.根据权利要求7所述的物体检测装置，其特征在于所述电压放大器(30)是两级放大器，具有前级放大部分(31)和后级放大部分(32)，所述模式选择器在所述待机模式下向所述前级和后级放大部分提供所述有限源电流，并在所述工作模式下向所述前级放大部分提供所述有限源电流，向所述后级放大部分提供所述额定源电流。

8.根据权利要求1所述的物体检测装置，其特征在于所述电压放大器提供所述额定电压输出，该电压输出就在所述检测阈值上方的电平处达到饱和。

9.根据权利要求1所述的物体检测装置，其特征在于所述模式选择器在所述待机模式下将有限源电流提供给所述I/V转换器(20)，在所述工作模式下将额定源电流提供给所述I/V转换器。

10.根据权利要求1所述的物体检测装置，其特征在于所述阈值选择器(60)包括第一分压器和第二分压器，所述第一分压器由第一电阻(61)串联组合而成，用以由参考电压提供所述初始阈值(TH1)，而所述第二分压器由第二电阻(62)串联组合而成，用以由所述参考电压提供所述检测阈值(TH2)，所述第一电阻的阻值比所述第二电阻的阻值高。

11.根据权利要求10所述的物体检测装置，其特征在于所述第一电阻选自未掺杂的多晶硅电阻器，而所述第二电阻器选自掺杂过的多晶硅电阻器。

12.根据权利要求10所述的物体检测装置，其特征在于所述第一电阻器选自MOS晶体管，而所述第二电阻器选自掺杂过的多晶硅电阻器。

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