CN1749691B - 红外感应检测方法及红外感应检测装置 - Google Patents

Abstract

一种红外感应检测方法及检测系统，以一个不可移动的装置作为基准，以一个主红外发射装置向基准发射红外光，将红外接收装置收到的由基准反射的即时红外光数值与存储的基准值相比较，以及把收到的辅红外发射装置发出的红外光与基准值相比较，决定执行装置的启动。以一个PSD装置接收由所述基准反射的红外光或者激光，以测量PSD装置与基准间的距离，并与基准值相比较，决定执行装置的启动。应用本发明的方法及检测系统，可以利用不同物质对红外光线反射率不同的特点，结合基准进行检测、准确判断，实现了准确的红外感应检测。

Description

红外感应检测方法及红外感应检测装置

技术领域

本发明专利涉及一种红外感应检测方法及红外感应检测装置。

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。

根据本发明的一种红外感应检测方法，它包括以下步骤：

(1)以一个不可移动的洁具作为基准，以一个主红外发射装置向所述基准发射红外光；

(2)以一个红外接收装置接收由所述基准反射的来自主红外发射装置的红外光，在无使用者时收到的红外光值，经过滤波放大后形成存储的信号基准值Y：

(3)以一个辅红外发射装置向所述基准以外的区域发射红外光，所述的红外接收装置收到的辅红外发射装置发出的红外光为X，设定A值和B值，其中A值是人为设置的确定有人体在感应范围内的信号值，B值是人为设置的确定人体离开感应范围时的解除信号值；

(4)以一个比较装置将所述红外接收装置收到的由基准反射的即时红外光数值与所述存储的基准值Y相比较，所产生的信号差值ΔY送往一个中央控制器处理，以产生驱动执行机构的执行信号；

(5)当所述比较装置所产生的差值信号ΔY＞0或者ΔY＜0时，表明有使用者存在，随后，当再一次ΔY＝0时，所述的中央控制器驱动执行机构；

(6)当所述比较装置所产生的差值信号ΔY＝0而且所述的X＞A时，表明有使用者存在于被检测区域，并且当ΔY＝0而X＜或＝B时，所述的中央控制器驱动执行机构。

根据上述的方法的红外感应装置，它包括：

(1)向作为基准的不可移动的洁具发出红外光的主红外发射装置；

(2)接收所述的基准装置反射的红外光的红外接收装置；

(3)存储所述红外接收装置在被检测区域无使用者时收到的由基准装置反射的作为基准值的红外光的装置；

(4)向基准装置以外区域发射红外光的辅红外发射装置，所述的红外接收装置也用来接收反射回来的所述的辅红外发射装置发出的红外光；

(5)存储设定的A值和B值的装置，其中A值是人为设置的确定有人体在感应范围内的信号值，B值是人为设置的确定人体离开感应范围时的解除信号值；

(6)比较装置，用来把所述红外接收装置收到的由主红外发射装置发出的、由所述基准装置反射的红外光与所述的基准值比较、以及把所述红外接收装置收到的由辅红外发射装置发出的、由所述基准装置反射的红外光与所述的A值和B值比较，以输出比较信号；

(7)根据所述比较装置输出的信号发出驱动信号的中央控制器；以及；

(8)接收所述中央控制器的驱动信号的执行机构。

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，同时也就无法理想地从根本上解决难题，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。

根据本发明的一种红外感应检测方法，它包括以下步骤：

(1)以一个不可移动的洁具作为基准，以一个红外发射装置向所述基准发射红外光；

(2)以一个位置敏感检测器件接收由所述基准反射的红外光或者激光，以测量位置敏感检测器件与基准间的距离，设定无使用者时所述的位置敏感检测器件测得的位置敏感检测器件与基准的距离为D，并连同位置敏感检测器件的两个检测面测得的位置敏感检测器件与基准的距离的幅值、比值、和差值一起存储；

(3)如果所述的位置敏感检测器件测得的距离不同于D值，判断基准被改变，进入确认有人处理程序；当恢复到基准值D值时，所述的中央控制器驱动执行机构。

根据上述的方法的红外感应装置，它包括：

(1)向作为基准的不可移动的洁具发出红外光的红外发射装置或向所述基准发射激光束的激光装置；；

(2)用来接收所述基准反射回来的红外光的或激光的位置敏感检测器件；

(3)用来存储所述位置敏感检测器件测得的所述位置敏感检测器件与所述基准之间的距离值，并且以在被检测区域无使用者时所测得的距离值作为基准值的装置；

(4)比较装置，用来比较所述位置敏感检测器件收到的由所述基准装置反射所测得的即时距离值与所述的基准值；

(5)根据所述比较装置输出的信号发出驱动信号的中央控制器；以及

(6)接收所述中央控制器的驱动信号的执行机构。

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(β)，主红外发射管(IR2)发射角度为(α)。

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 SENSITIVITYDIODES)，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(1-2X/L)I0                    (1)

I2＝1/2(1+2X/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

图1是方案一基准选取示意图；

图2是方案一硬件方框图；

图3是方案一的判断流程图；

图4是PSD(POSITION SENSITIVITY DIODES)等效电路图；

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；

图7是方案二基准选择示意图；

图8是方案二基准破坏示意图；

图9是方案二硬件方框图；

图10是方案二判断流程图。

具体实施方式

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(INPUT POWER)组成。

图3是方案一的判断流程图

从图上看出，检测到的由主红外发射装置发出的红外信号的差值信号ΔY＝0的时候，而且检测到的辅红外发射装置发出的红外信号值，经过处理后为X，设定A值和B值，其中A值是人为设置的确定有人体在感应范围内的信号值，B值人为设置的确定人体离开感应范围时的接触信号值，当信号X＝A的时候，表明无使用者存在于被检测区域，执行装置不工作。而如果检测到的由主红外发射装置发出的红外信号的差值信号ΔY不等于0、而且检测到的辅红外发射装置发出的红外信号的信号X＞A的时候，表明有使用者存在于被检测区域，进入确认有人处理程序，并且随后，比如是在检测预先设定的次数以后，当ΔY＝0而X值恢复为A时，所述的中心处理装置驱动执行装置。

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

从图10看出，如果所述的PSD装置测得的距离和基值D相同时，执行装置不工作，而这些数值不一致时，表明有使用者存在于被检测区域，进入确认有人处理程序，随后，比如是在检测预先设定的次数以后，当PSD装置测得的距离和基值D再一次相同时，所述的中心处理装置驱动执行装置。

Claims (6)

1.一种红外感应检测方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)以一个不可移动的洁具作为基准，以一个主红外发射装置向所述基准发射红外光；

(2)以一个红外接收装置接收由所述基准反射的来自主红外发射装置的红外光，在无使用者时收到的红外光值，经过滤波放大后形成存储的信号基准值Y；

(3)以一个辅红外发射装置向所述基准以外的区域发射红外光，所述的红外接收装置收到的辅红外发射装置发出的红外光为X，设定A值和B值，其中A值是人为设置的确定有人体在感应范围内的信号值，B值是人为设置的确定人体离开感应范围时的解除信号值；

(4)以一个比较装置将所述红外接收装置收到的由基准反射的即时红外光数值与所述存储的基准值Y相比较，所产生的信号差值ΔY送往一个中央控制器处理，以产生驱动执行机构的执行信号；

(5)当所述比较装置所产生的差值信号ΔY＞0或者ΔY＜0时，表明有使用者存在，随后，当再一次ΔY＝0时，所述的中央控制器驱动执行机构；

(6)当所述比较装置所产生的差值信号ΔY＝0而且所述的X＞A时，表明有使用者存在于被检测区域，并且当ΔY＝0而X＜或＝B时，所述的中央控制器驱动执行机构。

2.一种如权利要求1所述的红外感应检测方法，其特征在于，当所述比较装置所产生的差值信号ΔY＞0或者ΔY＜0时，表明有使用者存在，在检测到差值信号ΔY＞0或者ΔY＜0后，再一次ΔY＝0时，所述的中央控制器驱动执行机构；

3.一种如权利要求1所述的红外感应检测方法，其特征在于，当所述比较装置所产生的差值信号ΔY＝0而且所述的X＞A时，表明有使用者存在于被检测区域，在检测到差值信号ΔY＝0而且所述的X＞A后，再一次ΔY＝0而X＜或＝B时，所述的中央控制器驱动执行机构。

4.一种红外感应检测方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)以一个不可移动的洁具作为基准，以一个红外发射装置向所述基准发射红外光；

(2)以一个位置敏感检测器件接收由所述基准反射的红外光或者激光，以测量位置敏感检测器件与基准间的距离，设定无使用者时所述的位置敏感检测器件测得的位置敏感检测器件与基准的距离为D，并连同位置敏感检测器件的两个检测面测得的位置敏感检测器件与基准的距离的幅值、比值、和差值一起存储；

(3)如果上述的位置敏感检测器件测得的距离不同于D值，判断基准被改变，进入确认有人处理程序；当恢复到基准值D值时，所述的中央控制器驱动执行机构。

5.一种按权利要求1所述的方法的红外感应装置，其特征在于，它包括：

(1)向作为基准的不可移动的洁具发出红外光的主红外发射装置；

(2)接收所述的基准装置反射的红外光的红外接收装置；

(3)存储所述红外接收装置在被检测区域无使用者时收到的由基准装置反射的作为基准值的红外光的装置；

(4)向基准装置以外区域发射红外光的辅红外发射装置，所述的红外接收装置也用来接收反射回来的所述的辅红外发射装置发出的红外光；

(5)存储设定的A值和B值的装置，其中A值是人为设置的确定有人体在感应范围内的信号值，B值是人为设置的确定人体离开感应范围时的解除信号值；

(6)比较装置，用来把所述红外接收装置收到的由主红外发射装置发出的、由所述基准装置反射的红外光与所述的基准值比较、以及把所述红外接收装置收到的由辅红外发射装置发出的、由所述基准装置反射的红外光与所述的A值和B值比较，以输出比较信号；

(7)根据所述比较装置输出的信号发出驱动信号的中央控制器；以及；

(8)接收所述中央控制器的驱动信号的执行机构。

6.一种按权利要求4所述的方法的红外感应装置，其特征在于，它包括：

(1)向作为基准的不可移动的洁具发出红外光的红外发射装置或向所述基准发射激光束的激光装置；

(2)用来接收所述基准反射回来的红外光的或激光的位置敏感检测器件；

(3)用来存储所述位置敏感检测器件测得的所述位置敏感检测器件与所述基准之间的距离，并且以在被检测区域无使用者时所测得的距离作为基准值的装置；

(4)比较装置，用来比较所述位置敏感检测器件收到的由所述基准装置反射所测得的即时距离值与所述的基准值；

(5)根据所述比较装置输出的信号发出驱动信号的中央控制器；以及

(6)接收所述中央控制器的驱动信号的执行机构。

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