CN1749691A

CN1749691A - 红外感应器新型判断原理的研制及应用

Info

Publication number: CN1749691A
Application number: CN 200410084364
Authority: CN
Inventors: 陈伟根
Original assignee: Aokelin Water Supply & Heating Equipment Co Ltd Shanghai
Current assignee: Shanghai Kohler Electronics Ltd
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: CN1749691B

Abstract

本发明是一种反射式红外感应自动冲洗的洁具装置。设想在无人使用时自动采集到一个恒定不变的”基准”，而有人使用时则破坏基准来判断人体的存在与否，达到避免红外感应器具的误动作而浪费水资源，因此本发明选择安装稳定后恒定不变的洁具(如蹲位或座便器)作为“基准”，再进一步的采用单个红外发射和双红外接收的原理或双红外发射和单红外接收的原理达到主动式红外感应正确判断的目的。本发明对全自动红外感应器具的创新和发展有着重要社会意义和经济效益。

Description

红外感应器新型判断原理的研制及应用

所属技术领域：本发明专利涉及一种主动式红外发射感应洁具的判断方法及其装置。

背景技术：当今流行的红外感应洁具大部分采用主动式红外感应方式或者利用位置敏感检测器件PSD，其处理过程是红外发射器发射一定波长的红外线，经人体反射后，通过红外接收器(红外接收管或PSD)判断该反射信号强度或者计算距离，来实现自动感应判断，但都存在一个共同的问题，即一些对红外线发射率低的物质(如黑色衣服、头发等)很难实现正常距离的自动感应判断。

发明内容：

为克服现有技术的不足，本发明专利提供了两种新型判断方法及其装置技术，可以有效解决对红外线发射率低的物质(如黑色衣服、头发等)的准确判断缺陷。

本发明专利解决的技术问题采用的是两种技术方案：

方案一：利用双发射解决的技术方案双发射的方案为：一种为主发射，一种为辅发射；其中主发射采用参考基准的原理来处理，而辅发射则采用信号幅值判断原理。

方案二：利用PSD测距原理的技术方案现今应用PSD的，都是利用PSD能够精确测量距离的特点来实现的自动感应判断的，但仍然存在对反射率极低的物体还是无能为力，从而涌现出利用透镜的汇聚作用来增加对反射率极低物体的检测距离，但是由于反射回来的红外光极弱，PSD无法接收信号，同时也就无法理想的从根本上解决难题，现我们可以采用一种“基准”不变的原理，再结合PSD能够精确测定距离，即：定“基准”的优势，足以从最根本上解决反射率极低物体距离上的模糊判断，这也将给红外控制领域提出一种新的思维方式。

下面对方案一、方案二从原理和结构装置上作进一步的描述：

采用一种“基准”恒定不变的原理，来判断人体的存在与否，进而达到红外感应器具的正确动作，因此本专利选择安装稳定后恒定不变的洁具，比如马桶或蹲位作为“基准”，再进一步采用的单个红外发射和双红外接收的原理或双红外发射和单红外接收的原理达到此目的。

(一)双红外发射和单红外接收的原理应用

1、该原理采用两个红外发射器发射一定波长的红外光，接收器采用红外接收管。通过信号的大小及其变化量来判断是否有物体进入到感应器的感应范围内，从而破坏基准，该器件对信号的要求比较高，需要经过一些处理，下面叙述一下对信号的处理方法：

(1)光学处理：两个发射管和接收管都经过透镜处理汇聚信号，两个发射管共用一个透镜，设透镜的直径为R，则两个发射管均偏离透镜中心一定位置，使发射信号成为两束有一定夹角的集中红外光线；接收管的中心与透镜的中心相重合。

(2)电路信号处理：接收管采集到的信号通过两个滤波电路把干扰信号消除，信号再通过放大电路把采集到的信号放大，送入单片机进行数据比较处理以及判断。

2、基准选择原理

基准的选择由图1中的马桶(IV)、墙面(III)、辅红外发射管(IR1)及其发射的辅红外线光束(I)、主红外发射管(IR2)及其发射的主红外线光束(II)、(α)、(β)为由于透镜的作用使两个发射管的发射角度不一样，辅红外发射管(IR1)发射角度为(α)，主红外发射管(IR2)发射角度为(β)。

辅红外发射管(IR1)发射的前方无物体，所以不会产生基准信号(理论上应该为零)，故经过滤波信号放大后单片机所采集到的辅红外发射管(IR1)发射的信号记作X。

而主红外发射管(IR2)发射的角度刚好照射在安装稳定后固定不变的洁具--马桶或蹲位某一点上，照射在这个点上的红外光被反射后，通过透镜接收管HIP接收到一个信号，经过滤波以及放大处理后输入到单片机形成一个信号基准值，记该值为Y。该值在无人使用时保持恒定不变。

3、判断原则及判断过程

我们采用对基准值Y的比较判断和信号幅值X的大小判断相结合的判断原则，该二原则相互支持，相互补充，大大的提高并完善该红外感应器的性能。

(1)判断原则：

与基准的比较判断：根据上述的基准值Y，对实际使用时采集到的主红外发射信号与单片机记忆的基准值Y值相比较，产生一个变化量ΔY，ΔY可是正值也可是负值，正值表示强反射物质产生的是正向变化量，负值表示弱发射物质产生的是负向变化量，根据是否产生正向变化量或负向变化量来判断在感应范围内是否有人体。

信号幅值大小判断：对实际使用时采集到的辅红外发射信号大小判断，是否符合规定的信号大小要求，即实时采集到的值X是否大于A值(注：A值为人为输入单片机设置的确定有人体在感应范围内的信号值)，符合则表示有物体在感应范围内，不符合则无物体在感应范围内。

(2)判断过程：

首先对实际使用时采集到的偏心信号Y1值与基准值Y进行相减处理，得到一个变化量ΔY，然后对ΔY的值进行判断处理，而ΔY的值有3种情况：①ΔY＞0；②ΔY＝0；③ΔY＜0。

若ΔY＞0则表明有比背景物质反射红外光效果强的人体衣物在感应范围内；若ΔY＜0则表明有比背景物质反射红外光效果弱的人体衣物在感应范围内，该两种情况均可确认在感应范围内有物体，一旦实时采集到的值Y1恢复成基准值Y，则确认物体离开，驱动执行机构。

若ΔY＝0则会出现以下两种情况：①表明有与基准物质对红外光的反射效果是一样的人体衣物(中等反射强度的衣物)在感应范围内；②表明没有人体在感应范围内。此时，我们用与基准比较判断不能确认是否有人体在感应范围内，故我们采用信号幅值大小判断。若实际使用时采集到的值X大于A值，则确认在感应范围内有人体衣物，一旦实时采集到的值X小于等于B(注：B值是人为输入单片机设置的人体离开感应范围时的解除信号值)，则确认人体离开，驱动执行机构。

硬件方框图2中的发射部分由红外线发射器(IR1)、(IR2)及其发射驱动部件(V)、(VI)组成；接收信号及其处理部分由红外接收器(HIP)、滤波电路(I)、信号放大单元(II)、信号采集模块(A/D)、执行机构(III)、央处理器(IC2)及其电源系统(INPUT POWER)组成。

判断流程图如图3所示。

(二)单红外发射和双红外接收的原理应用

1、该原理采用的双接收器件---位置敏感检测器，该激光模拟传感器的核心部件是当今流行的位置敏感检测器件即PSD(POSITION SENSITIVITY DIODES)，这是一种基于横向光电效应的新型位置敏感检测器，下面对其工作机理做一简要介绍。其等效电路如图4所示，其中Q为光点位置，(A)、(B)为P侧电极，(C)为n侧电极，而(Io)为在Q点形成的电流，(Di)为理想二极管，(Cj)为结电容，(Rs)为并联电阻，(S)为电流源。在光的照射下，半导体内产生截流子，它们在耗尽层内电场的作用下发生漂移，空穴进入P-层，电子进入n+层，Q点到电极A及到电极B之间的电阻(R1)及(R2)分别与Q点到A及B之间的距离成正比。进入P-层的空穴根据电阻R1和R2进行分配，并以I1和I2的形式从电极A、B输出，其输出电流信号与位置关系曲线如图5。设电极(A)、(B)的中点到Q点的距离为X，电极A、B间的距离为L，则输出电流(I1)和(I2)分别是可由式(1)和式(2)表示：

I₁＝1/2(1-2 X/L)I₀ (1)

I₂＝1/2(1+2 X/L)I₀ (2)

I₀＝I₁+I₂ (3)

由上式可知，I1、I2是入射光能量(产生Io)和入射位置的函数，由(1)，(2)，(3)可求得：

X＝L/2(I₂-I₁)/(I₂+I₁) (4)

可见，通过(4)式，可以由PSD的输出电流I1和I2计算出入射光斑的中心位置，进而得出相关的被测值。

激光模拟传感器应用了光学三角形测量法，在原理图6中，由位置检测器(PSD)、红外线发射器(IR)、汇聚透镜(I)、(II)、被测目标(III)组成。

设置在离PSD一定距离的半导体激光器所产生的光由被测对象反射以后，在PSD上成象，这时，检测入射光的位置，就能测出PSD到被测对象的距离。设D为透镜到被测对象的距离，G为基线长度(发射透镜和接收透镜中心距离)，F为接收透镜的焦距，X为PSD上光的入射位置，则有如下关系：

G/D＝X/F (5)

则D＝GF/X (6)

将(4)式代入(6)式，可得到被测物体到传感器的距离：

D＝2GF/L(I₂+I₁)/(I₂-I₁) (7)

2、基准选择理论

基准的选择由图7中的马桶(I)、墙壁(II)、红外发射器(IR)、位置敏感检测器(PSD)组成。既然是基准，就应该有固定不变的一个量来衡量，传统的红外感应器检测和发射的机理为：利用唯一对象---人体反射的红外光，根据发射信号幅值来判断物体的远近，可是由于不同面料的人体和衣物对红外光的发射率不同，由此带来判断距离的失误，而我们采用的是红外发射管IR斜射到一个固定不变的物体--马桶或蹲位某一点上，照射在这个点上的红外光被反射后，经过一个凸透镜汇聚后照射在PSD器件上，由此形成一个存在固定幅值和比值的模拟信号I1和I2，根据其原理中的7式就可以计算出马桶或蹲位上该点到PSD的垂直距离D。

下面我们继续研究当人体破坏这个基准后的距离D′与基准距离D的差别是什么：图8是由人体(IV)、马桶(I)、墙壁(II)、红外发射器(IR)、位置敏感检测器(PSD)组成的基准破坏的原理图，从这个图示当中我们可以清晰的看出随着IR发射后的目标点不同，反射红外光经凸透镜汇聚后，光点到达PSD的位置也随之改变，由此带来计算距离本质的改变，此时的距离记做D′，对于反射率低的人体衣物，则D′的距离接近无穷远，也即可以判断为有一物体进入。

另外，同样存在一种特殊的情况，就是当物体进入时的距离和我们的基准距离相同，这时可以利用PSD检测到物体的信号幅值、差值、比值和基准进行逐一比较，同样也可解决物体和基准的差别所在，进而消除了判断区域的盲区。

经过以上的分析，我们可以得出这样一个结论：通过判断基准的破坏程度以及PSD检测到信号的特征(幅值、差值、比值)，能够从根本上解决反射率不同的物质在同一位置上产生距离上的误判断。

硬件部分由图9中的红外发射器(IR)、红外发射驱动电路(IV)、位置敏感检测器(PSD)、信号滤波器单元(I)、信号放大单元(II)、信号采集模块(A/D)、中央控制器(IC2)、电源模块(INPUT POWER)以及执行机构(III)组成。

判断流程图如图10所示：

本发明专利的有益效果是：本发明专利充分发挥成熟的红外控制理论，通过采用“基准”原理的创新，从本质上解决了对红外线反射率极低(如黑色衣服、头发等)物质的模糊判断，同时也给其他的红外控制领域提出了一种新型的控制思想。

附图说明：

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1是方案一基准选取示意图图中的符号意义：马桶(IV)、墙面(III)、辅红外发射管(IR1)及其发射的辅红外线光束(I)、主红外发射管(IR2)及其发射的主红外线光束(II)，由于透镜作用使IR1、IR2相对于(III)的发射角度分别为(α)、(β)。其中偏转角度(α)即是我们的基准所在。

图2是方案一硬件方框图图中的符号意义：红外线发射器(IR1)、(IR2)及其发射驱动部件(V)、(VI)组成；接收信号及其处理部分由红外接收器(HIP)、滤波电路(I)、信号放大单元(II)、信号采集模块(A/D)、执行机构(III)、央处理器(IC2)及其电源系统(INPUTPOWER)组成。

图3是方案一的判断流程图

图4是PSD(POSITION SENSITIVITY DIODES)等效电路图其中Q为光点位置，(A)、(B)为P侧电极，(C)为n侧电极，而(Io)为在Q点形成的电流，(Di)为理想二极管，(Cj)为结电容，(Rs)为并联电阻，(S)为电流源，(RL)为负载，I1、I2代表光电流、Q点到电极(A)、(B)之间的电阻(R1)及(R2)。

图5是PSD中I1、I2输出与距离的关系曲线图

图6是三角形法则的原理图位置检测器(PSD)、红外线发射器(IR)、汇聚透镜(I)、(II)、被测目标(III)。D为透镜到被测目标(III)的距离，G为发射透镜和接收透镜中心距离，F为接收透镜的焦距，X为PSD上光的入射位置。

图7是方案二基准选择示意图由马桶(I)、墙壁(II)、红外发射器(IR)、位置敏感检测器(PSD)组成。

图8是方案二基准破坏示意图由人体(IV)、马桶(I)、墙壁(II)、红外发射器(IR)、位置敏感检测器(PSD)组成。

图9是方案二硬件方框图由红外发射器(IR)、红外发射驱动电路(IV)、位置敏感检测器(PSD)、信号滤波器单元(I)、信号放大单元(II)、信号采集模块(A/D)、中央控制器(IC2)、电源模块(INPUT POWER)以及执行机构(III)组成。

图10是方案二判断流程图

Claims

一种反射式红外感应自动冲洗测量装置，该测量装置借助红外线测量理论，采用了“基准不变”的原理，通过双发射单接收或位置敏感检测器件PSD，实现对红外光线发射率低的物质的自动判断。其特征在于利用了不同物质对红外光线反射率不同的特点，结合了破坏“基准”的方法，进而实现了在全自动红外感应洁具领域中对任何物质的准确判断。