DE2731927A1

DE2731927A1 - Movement detection using light intensity variation measurement - by successive comparison of light density differential derivative w.r.t. time

Info

Publication number: DE2731927A1
Application number: DE19772731927
Authority: DE
Inventors: Hans Geyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-14
Filing date: 1977-07-14
Publication date: 1979-02-01

Abstract

Circuit detects moving bodies using light intensity variation. The differential derivative of the light density falling on a defined surface is determined w.r.t. time. Successive measured values are compared with one another and differences displayed and/or evaluated. Light is converted into current or voltage by a sensor whose output is input to an operational amplifier via a differentiator. The amplifier output is input to a trigger stage operating a slow level changes whose output is connected to display and/or evaluation circuits via a switch.

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Feststellen von beiMethod and circuit arrangement for determining at

Helligkeit bewegten Körpern. Brightness moving bodies.

Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen von bei Helligkeit bewegten Körpern sowie eine Schaltungsanordnung zur Ausführung dieses Verfahrens. Description The invention relates to a method for determining of bodies moving with brightness as well as a circuit arrangement for execution this procedure.

Bewegungssensoren sind bekannt. So sind bekannt, Ultraschallsensoren, Lichtschranken, Mikrowellen-Doppler-Radar und Geräuschdetektoren.Motion sensors are known. So are known, ultrasonic sensors, light barriers, microwave Doppler radar and noise detectors.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Grundgedanken Licht zum Feststellen der Bewegung eines Körpers heranzuziehen. Dabei kann die an einer beliebigen Stelle vorhandene Lichtenergie aus mehreren Anteilen bestehen. Sowohl das Sonnenlicht, wie auch das Licht von Beleuchtungskörpern verursacht Reflexsionen, Streuungen und Beugungen.The present invention is concerned with the basic idea of light to use to determine the movement of a body. The at one Any place existing light energy consist of several parts. As well as sunlight, as well as the light from lighting fixtures, causes reflections, Scatter and Diffraction.

Betrachtet man die auf eine definierte Fläche einfallende Lichtmenge, so besteht diese aus direkt von der Quelle kommenden Anteilen sowie aus Anteilen, welche an beliebigen Körpern vorher reflektiert wurden. Letztere sind meist energiemäßig wesentlich geringer, besonders wenn es sich um schlecht reflektierende oder kleine Körper die handelt. Bewegt sich nun ein Körper, so wird sich auf eine vorbestimmte Fläche fallende Lichtmenge verändern.If one considers the incident on a defined area Amount of light, so it consists of parts coming directly from the source as well as parts, which were previously reflected on arbitrary bodies. The latter are mostly energy-wise much less, especially if they are poorly reflective or small Body that acts. If a body moves now, it will move to a predetermined one Change the amount of light falling on the surface.

Schwierig ist es nun, langzeitliche Intensitätsschwankungen der Lichtquellen, die um viele Größenordnungen über den zu messenden Pegeln liegen, auszuschalten. Bei bewegten Körpern ändert sich der jeweilige Zustand schneller als die Alterung von Leuchtkörpern oder die Schwankung des Sonnenlichtes.It is now difficult to detect long-term fluctuations in the intensity of the light sources, which are many orders of magnitude above the levels to be measured, to be switched off. In the case of moving bodies, the respective state changes faster than aging of luminous bodies or the fluctuation of sunlight.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Feststellen von bei Helligkeit bewegten Körpern sowie eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die es ermöglichen, auf eine einfache und sichere Weise bei Helligkeit bewegte Körper festzustellen.The invention is based on the object of a method for determining of bodies moving in brightness and to create a circuit arrangement, which make it possible to move bodies in a simple and safe manner in light conditions ascertain.

Das Verfahren nach der Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die differentielle Ableitung der Leuchtdichte nach der Zeit des auf eine definierte Fläche fallenden Lichtes erfaßt wird, daß aufeinanderfolgende Erfassungswerte miteinander verglichen und Abweichungen angezeigt und/oder ausgewertet werden.The method according to the invention solves this problem in that the differential derivation of the luminance according to the time of the on a defined Area of incident light is detected that successive detection values with each other compared and deviations displayed and / or evaluated.

Die Schaltungsanordnung zur Ausführung dieses Verfahrens sieht vor, daß ein Licht in eine elektrische Größe (Spannung/Strom) umwandelnder Sensor vorhanden ist, daß die Sensorspannung über ein Differenzierglied dem Eingang eines Operationsverstärkers zugeleitet wird, daß der Ausgang dieses Operationsverstärkers mit dem Eingang einer langsamen Pegeländerungen folgenden Triggerstufe verbunden ist und daß an den Ausgang dieser Triggerstufe eine Schaltvorrichtung mit Anzeige- und/oder Auswertvorrichtung angeschlossen ist.The circuit arrangement for carrying out this method provides that there is a sensor that converts light into an electrical quantity (voltage / current) is that the sensor voltage via a differentiator to the input of an operational amplifier is fed that the output of this operational amplifier with the input of a slow level changes following trigger stage is connected and that to the output this trigger stage a switching device with display and / or evaluation device connected.

Das erfindungsgemäße Verfahren und Schaltungsanordnung ermöglicht es, einen sogenannten optoelektronischen Bewegungssensor aufzubauen, der mit ausreichender Sicherheit arbeitet und trotzdem verhältnismäßig einfach aufzubauen ist. Der Sensor eignet sich vorzüglich für Alarmanlagen jeglicher Art. Dabei können Restlichtanteile, wie indirekte Beleuchtung, Mondlicht, Hofbeleuchtungen etc., als ausreichende Lichtquellen angesehen werden. Auch das Einschalten einer Taschenlampe und das Anzünden eines Streichholzes bewirken das sofortige Ansprechen des Sensors. Ein solcher Sensor kann in einem Safe, in einer Schublade oder in anderen dunklen Räumen installiert werden. Beim Öffnen dieser dunklen Räume führt der auftretende Hell-Dunkelsprung sofort zum Auslösen einer nachgeordneten Alarmanlage. Wegen seiner verhältnismäßig kleinen Bauweise und des niedrigen Stromverbrauches eignet sich ein solcher Sensor auch als transportable Einheit zur Sicherung von Reisegepäck im Innenraum von Koffern usw.. Selbstverständlich müssen nachgeordnete Alarmanlagen über eine Zeitverzögerung verfügen, welche das Ein-und Ausschalten durch den Besitzer ermöglichen. Dieser Sensor kann auch zum Einsparen von Beleuchtungsenergie in Haushalten, in industriellen Anlagen, oder öffentlichen Gebäuden eingesetzt werden. Als Anwesenheit-Sensor kann er beispielsweise bei Vorhandensein von Menschen jeweils für eine bestimmte Zeit Strom für Beleuchtungszwecke freigeben. Der Sensor kann auch mit einem Parabolspiegel oder mit einem Linsensystem zur Bündelung von Lichtstrahlen vereinigt sein. Ordnet man den optischen Sensor im Brennpunkt derselben an, so erhält man eine äußerst sensible Anordnung, welche gezielt auf Gegenstände gerichtet werden kann. Reichweite und Bündelung hängen von der Größe des Reflektors oder des vorgeschalteten Linsensystems ab. Das Öffnen einer Haustüre, eines Fensters, das Herannahen eines Autos, das Entfernen eines kostbaren Gegenstandes ( Museen) und vieles andere kann somit damit erfaßt werden.The method and circuit arrangement according to the invention make it possible it is to build a so-called optoelectronic motion sensor with sufficient Security works and is still relatively easy to set up. The sensor is particularly suitable for alarm systems of any kind. such as indirect lighting, moonlight, courtyard lighting, etc., as sufficient light sources be considered. Also turning on a flashlight and lighting one Matchsticks cause the sensor to respond immediately. Such a sensor can be installed in a safe, drawer or other dark room will. When these dark rooms are opened, the light-dark jump that occurs occurs immediately to trigger a downstream alarm system. Because of its relative Small construction and the low power consumption such is suitable sensor Also as a transportable unit for securing luggage in the interior of suitcases etc .. Of course, downstream alarm systems must have a time delay which allow the owner to switch it on and off. This Sensor can also be used to save lighting energy in households, in industrial Plants or public buildings. Can be used as a presence sensor he for example in the presence of people for a certain time Enable electricity for lighting purposes. The sensor can also be equipped with a parabolic mirror or be combined with a lens system for focusing light rays. Arranges if the optical sensor is placed at its focal point, an extreme one is obtained Sensitive arrangement that can be aimed at objects. Range and focusing depend on the size of the reflector or the upstream lens system away. Opening a house door, a window, approaching a car, moving away a valuable object (museums) and many other things can thus be captured will.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt: Ein Schaltbild des optoelektronischen Bewegungssensors.The invention is illustrated below with reference to one in the drawing Embodiment described in more detail. The drawing shows: A circuit diagram of the optoelectronic motion sensor.

Die auf die Solarzelle S fallende Lichtmenge wird von dieser in elektrische Spannung umgewandelt, die über einen Koppelkondensator 1 dem einen Eingang eines Operationsverstärkers 2 zugeführt wird. Das positive Spannungspotential dieses Einganges wird durch einen von Widerständen 3 und 4 gebildeten Spannungsteiler erzeugt, von denen der Widerstand 3 einstellbar ist. Die am Spannungsteiler 3, 4 abfallende positive Spannung wird über einen Vorwiderstand 5 dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 2 zugeleitet. Der Widerstand 4 ist durch einen Kondensator 6 zum Nullpotential hin überbrückt, das bei 7 an Masse angeschlossen ist. Die positive Gleichspannung +9 Volt wird über einen Stabilisator 8 dem Spannungsteiler 3, 4 zugeleitet. Der Ausgang desselben ist über einen Kondensator 9 abgeblockt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 2 ist über eine Parallelschaltung von Widerstand 10 und Kondensator 11 rückgekoppelt, wobei der negative Eingang auch mit dem Abgriffpotential des Spannungsteiles 3, 4 verbunden ist. Der Operationsverstärker 2 ist über die Leitungen 12 und 13 an positives bzw. Nullpotential angeschlossen.The amount of light falling on the solar cell S is converted into electrical Voltage converted via a coupling capacitor 1 to one input of a Operational amplifier 2 is supplied. The positive voltage potential of this input is generated by a voltage divider formed by resistors 3 and 4, from where the resistance 3 is adjustable. The positive falling at the voltage divider 3, 4 Voltage is fed through a series resistor 5 to the positive input of the operational amplifier 2 forwarded. The resistor 4 is through a capacitor 6 towards zero potential bridged, which is connected to ground at 7. The positive DC voltage +9 Volt is fed to the voltage divider 3, 4 via a stabilizer 8. The exit the same is blocked by a capacitor 9. The output of the operational amplifier 2 is fed back via a parallel connection of resistor 10 and capacitor 11, the negative input also with the tap potential of the voltage part 3, 4 is connected. The operational amplifier 2 is on via the lines 12 and 13 positive or zero potential connected.

Der Kondensator 1 führt zusammen mit dem Eingangswiderstand 5 des Operationsverstärkers eine Differenziation durch. Der Kondensator 11 in der Gegenkopplung reduziert in bekannter Weise die Ubertragungsbreite und filtert Rausch- und Brummanteile weitgehend ab.The capacitor 1 leads together with the input resistor 5 of the Operational amplifier through a differentiation. The capacitor 11 in the negative feedback reduces the transmission width in a known manner and filters noise and hum components largely off.

Der positive Eingang des nachfolgenden Operationsverstärkers 14 ist über einen Vorwiderstand 15 an den Ausgang des Operationsverstärkers 2 angeschlossen. Ein Kondensator 16 verbindet den positiven Eingang des Operationsverstärkers 14 mit dem Nullpotential und bildet zusammen mit dem Vorwiderstand einen RC-Tiefpaß, der das Ausfiltern der Rausch- und Brummanteile unterstützt.The positive input of the subsequent operational amplifier 14 is connected to the output of the operational amplifier 2 via a series resistor 15. A capacitor 16 connects the positive input of the operational amplifier 14 with the zero potential and together with the series resistor forms an RC low-pass filter, which supports the filtering out of the noise and hum components.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 14 ist über eine Parallelschaltung eines Kondensators 17 und eines Widerstandes 18, der veränderbar ist, mit dem negativen Eingang dieses Operationsverstärkers gegengekoppelt.The output of the operational amplifier 14 is connected in parallel a capacitor 17 and a resistor 18, which is variable, with the negative Input of this operational amplifier fed back.

Durch diese Gegenkopplung erfolgt eine Begrenzung der Übertragungsbandbreite zu höheren Frequenzen hin. Zugleich ist der negative Eingang dieses Operationsverstärkers 14 über einen Widerstand 19 und einen Kondensator 20, welche ein RC-Glied bilden mit Nullpotential verbunden. Durch dieses RC-Glied erfolgt eine Randbegrenzung des Ubertragungsbereiches nach tiefen Frequenzen hin.This negative feedback limits the transmission bandwidth towards higher frequencies. At the same time is the negative input of this operational amplifier 14 via a resistor 19 and a capacitor 20, which form an RC element connected to zero potential. This RC element limits the edge of the Transmission range towards low frequencies.

Die Verstärkung dieses Operationsverstärkers 14 läßt sich durch den einstellbaren Widerstand 18, vorzugsweise ein Trimm-Potentiometer, für alle Anwendungen einstellen.The gain of this operational amplifier 14 can be through the adjustable resistor 18, preferably a trim potentiometer, for all applications to adjust.

An den Operationsverstärker 14 ist wiederum über Leiter 21, 22 ein positives bzw. Nullpotential angeschlossen.The operational amplifier 14 is in turn connected via conductors 21, 22 positive or zero potential connected.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 14 ist über einen Vorwiderstand 23 an einen weiteren Operationsverstärker 24 angeschlossen. Der andere, positive Eingang ist über eine Reihenschaltung von Widerständen 25, 26 mit Nullpotential verbunden. Dabei bildet der Widerstand 25 mit einem in Reihe geschalteten Kondensator 27 ein RC-Glied, welches mit dem Ausgang dieses Operationsverstärkers 24 in Gegenkopplung verbunden ist. Weiterhin ist der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers über eine Diode 28 und dem Widerstand 25 mit dem positiven Eingang verbunden. Diese Stufe wirkt als mitlaufende Triggerstufe und folgt langsamen Pegeländerungen ohne durchzuschalten. Bei schnelleren Änderungen der Eingangsspannung schaltet sie durch und der Ausgangspegel gleicht sich dem positiven Speisespannungspegel an. Hier könnte bereits ein Schalttransistor mit Relais angeschlossen werden.The output of the operational amplifier 14 is via a series resistor 23 connected to a further operational amplifier 24. The other, positive one The input is via a series connection of resistors 25, 26 with zero potential tied together. The resistor 25 forms with a capacitor connected in series 27 an RC element which has negative feedback with the output of this operational amplifier 24 connected is. Furthermore, the inverting input of this operational amplifier is connected via a diode 28 and the resistor 25 to the positive input. These Stage acts as a concurrent trigger stage and follows slow level changes without to switch through. If the input voltage changes faster, it switches through and the output level adapts to the positive supply voltage level. Here could a switching transistor with relay can already be connected.

Operationsverstärker Auch hier ist der 24 über Leiter 29, 30 wieder mit dem positiven bzw. dem Nullspannungspegel verbunden.Operational amplifier is here too 24 connected again via conductors 29, 30 to the positive or zero voltage level.

Dem Sensorteil, gebildet von den Operationsverstärkerstufen 2, 14, 24 kan sich eine als elektronische 'wSchwungradschaltung" wirkende Stufe 31 anschließen. Diese Stufe 31 hält mit einer einstellbaren Zeitdauer das vom Operationsverstärker 24 kommende Schaltsignal im Ein-Zustand fest. Diese Funktion wird mit einer integrierten CMOS-Schaltung in Digitaltechnik realisiert. Das Ausgangssignal der Triggerstufe 24 setzt mit seiner Vorderflanke einen monostabilen Multivibrator auf logisch 1. Dieser Zustand bleibt solange erhalten bis die extern angelegte RC-Beschaltung, gebildet von dem Widerstand 32 und dem Kondensator 33, aufgeladen ist. Die Zeitkonstante hängt von dem Wert des veränderbaren, vorzugsweise als Trimmer ausgebildeten Widerstandes 32 und dem Wert des Eondensators 33 ab. Schaltzeiten von einigen Sekunden bis zu etwa 1 Stunde können erreicht werden.The sensor part, formed by the operational amplifier stages 2, 14, 24 can be followed by a stage 31 acting as an electronic "flywheel circuit". This stage 31 holds that of the operational amplifier for an adjustable period of time 24 incoming switching signal fixed in the on state. This function comes with a built-in CMOS circuit implemented in digital technology. The output signal of the trigger stage 24 sets a monostable multivibrator to logic 1 with its leading edge. This state is retained until the externally applied RC circuit, formed by the resistor 32 and the capacitor 33 is charged. The time constant depends on the value of the variable resistor, preferably designed as a trimmer 32 and the value of capacitor 33. Switching times from a few seconds up to about 1 hour can be reached.

Eine weitere Multivibratorstufe 34, welche über einen Widerstand 35 mit dem Ausgang der vorhergehenden Stufe 31 verbunden ist, sperrt nach Abfall der Ausgangsspannung der ersten Stufe 31 und verhindert somit eine Selbsterregung des Sensors durch das Durchschalten des nachgeschalteten Relais (Rückwirkung auf die Versorgungsspannung).Another multivibrator stage 34, which via a resistor 35 is connected to the output of the previous stage 31, locks after falling Output voltage of the first stage 31 and thus prevents self-excitation of the Sensor by switching through the downstream relay (effect on the Supply voltage).

Der Eingang der Stufe 35 ist durch einen Kondensator 36 mit Nullpotential verbunden. Die Zeitkonstante dieser Stufe wird durch die Serienschaltung des veränderbaren, vorzugsweise durch Trimmer gebildeten Widerstandes 37 und des Kondensators 38 bestimmt. Die Zeitkonstante dieser Stufe 35 ist relativ kurz gewählt. Der Ausgang dieser Stufe ist über den Leiter 39 mit der Stufe 31 rückgekoppelt.The input of stage 35 is through a capacitor 36 with zero potential tied together. The time constant of this stage is determined by the series connection of the changeable, preferably formed by trimmers resistor 37 and the capacitor 38 is determined. The time constant of this stage 35 is chosen to be relatively short. The output of this stage is fed back to the stage 31 via the conductor 39.

An den Ausgang der Stufe 31 ist über einen Widerstand 40 ein Schalttransistor 41 angeschlossen, dessen Emitter mit Nullpotential und dessen Kollektor über ein Relais 42 mit positivem Potential verbunden ist. Die Relaiskontakte sind in Serie mit einem Anzeigestromkreis geschaltet, der beispielsweise aus einer Lichtquelle 43 und einer Speisestromquelle, z.B. 220 Volt Wechselspannung, besteht.A switching transistor is connected to the output of stage 31 via a resistor 40 41 connected, its emitter with zero potential and its collector via a Relay 42 is connected to positive potential. The relay contacts are in series connected to a display circuit, for example from a light source 43 and a supply current source, e.g. 220 volts alternating voltage.

mit Relais Anstatt eines Schalttransistorsvkönnte natürlich auch ein Thyristor eingesetzt werden. Die Stromversorgungsquelle kann von einer Trockenbatterie oder von einem Netzgerät gebildet sein. Bei einer Netz-Stromversorgungsquelle können Schwankungen durch Stoßbelastungen und Schaltimpulse im Netz auftreten, durch welche die Lichtintensität der Leuchtkörper kurzzeitig verändert wird. Durch eine Korrelationsschaltung, welche den Sensorausgang mit den dem Netz entnommenen Pegelschwankungen vergleicht, könnte jedoch auch eine solche Störung beseitigt werden. with relay Instead of a switching transistor, could of course also a thyristor can be used. The power source can be from a dry cell battery or be formed by a power supply unit. With a mains power source, you can Fluctuations due to shock loads and switching pulses occur in the network, through which the light intensity of the luminous body is changed briefly. Through a correlation circuit, which compares the sensor output with the level fluctuations taken from the network, however, such a disturbance could also be eliminated.

Claims

Claims 1. A method for determining moving at brightness Bodies, characterized in that the differential derivative of the luminance after the time of the light falling on a defined area it is detected that successive detection values are compared with one another and deviations are displayed and / or evaluated.

2. Circuit arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that a light is converted into an electrical quantity (voltage / current) converting sensor (S) is present that the sensor voltage via a differentiator (1 and Ri) is fed to the input of an operational amplifier (2) that the Output of this operational amplifier with the input of a slow level change following trigger stage (24) is connected and that at the output of this trigger stage a switching device (41,42) with display and / or Evaluation device (43) is connected.

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the trigger stage (24) is followed by a monostable multivibrator stage (31), One of these switching states can be set in terms of its duration by an RC element (32, 33) is that a further monostable multivibrator stage (35) is connected downstream of the first is that blocks the first stage after dropping the output voltage and that with the Output of the first stage the switching device (41, 42) for the display and / or Evaluation device is connected.

4. Circuit arrangement according to Claims 2 and 3, characterized in that that between the operational amplifier (2) and the trigger stage (24) another Operational amplifier (14) is connected.