TWI421477B - 溫度變化感應裝置及其方法 - Google Patents

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Description

溫度變化感應裝置及其方法
本發明是關於一種溫度變化感應裝置及其方法；具體而言，本發明是關於一種使用軟體方式來進行溫度補償的溫度變化感應裝置，實現了較佳的靈敏度曲線，進而提高了感應準確度。
焦電型紅外線感應器(passive infrared sensor，PIR sensor)利用所謂的焦電效應(pyroelectric effect)來感應移動物體人體與背景環境的溫度差異所產生的溫度變化，以相應地產生電訊號。其產生出來的電訊號可輸出至例如電燈、電鈴或警報器等裝置，進而控制電燈的開啟、電鈴或警報器的作響，抑或其他裝置的作動。
由於焦電型紅外線感應器以被動方式感測熱能移動的特性，在實際應用中，使用焦電型紅外線感應器的溫度變化感應裝置容易受到環境因素的影響而發生錯誤的作動。例如當使用於室外的開放空間中時，會很容易因為溫差、氣候變化等外在環境狀態的影響導致溫度變化感應裝置錯誤觸發。又例如當環境溫度達到某些特定溫度點(如接近人體體溫)時，很容易將熱風吹過等狀況誤判為有人走過。此時為了抵銷外在環境因素對溫度變化感應裝置的作動所造成的影響，可以對焦電型紅外線感應器所產生的電訊號進行溫度補償。
溫度補償一般係採用由熱敏電阻所組成的溫度補償電路來完成。溫度補償電路可針對特定環境溫度相應地調整溫度變化感應裝置的觸發靈敏度(感度)，例如在環境溫度較高時減緩溫度變化感應裝置的觸發靈敏度的增加速度，以避免熱風吹過等其他狀況被誤判為有人走過等情形。圖1A為習知溫度變化感應裝置的靈敏度曲線示意圖。如圖1A所示，當使用負溫度係數熱敏電阻所組成的溫度補償電路來對焦電型紅外線感應器進行溫度補償時，溫度變化感應裝置的靈敏度曲線在0℃至40℃的環境溫度範圍內呈現為遞增曲線的形式。溫度變化感應裝置的靈敏度曲線在環境溫度接近40℃的部分具有較小的斜率，亦即靈敏度在環境溫度接近40℃時的增加速度趨緩，以避免上述因靈敏度過高而發生誤判的問題。
然而，欲真正解決上述因靈敏度過高而發生的誤判，在環境溫度較高時降低溫度變化感應裝置的靈敏度會是較理想的作法。圖1B為理想的溫度變化感應裝置靈敏度曲線的示意圖。如圖1B所示，靈敏度曲線可在環境溫度接近40℃時呈現為遞減曲線的形式。換言之，溫度變化感應裝置在理想狀況下必須實現U形的靈敏度曲線。受限於元件的物理特性，使用單一熱敏電阻製作的溫度補償電路只能實現出如圖1A所示的遞增曲線或是遞減曲線，欲實現類似圖1B所示的U形曲線就必須使用負溫度係數熱敏電阻配合正溫度係數熱敏電阻來製作溫度補償電路。然而，由於熱敏電阻本身的工作曲線等物理特性的限制，再加上其誤差較大的缺點，即使是由負溫度係數熱敏電阻及正溫度係數熱敏電阻所組成的溫度補償電路也往往無法實現圖1B所示的理想的U形靈敏度曲線。
本發明的目的在於提供一種溫度變化感應裝置及其方法，相較於先前技術，可實現較完美的靈敏度曲線，進而提高了感應準確度。
本發明溫度變化感應裝置包含感測單元及控制單元。感測單元用以感測溫度變化，並據以產生溫差訊號。控制單元執行程式碼，以根據環境溫度而設定非觸發範圍。當溫差訊號的位準不在非觸發範圍內時，控制單元產生控制訊號，其中非觸發範圍相對於環境溫度呈第一曲線變化。第一曲線包含第一極值點，第一極值點兩端的第一曲線的斜率的乘積為負數。本發明溫度變化感應裝置使用程式碼來設定不同環境溫度下的靈敏度，亦即以軟體方式對感測單元所產生的溫差訊號進行溫度補償，可實現完美的靈敏度曲線，進而提高感應準確度。
本發明溫度感應方法使用於溫度變化感應裝置，包含下列步驟：執行程式碼，以根據環境溫度設定靈敏度標準，其中靈敏度標準隨著環境溫度的不同而呈第二曲線變化，第二曲線包含第二極值點，第二極值點兩端的第二曲線的斜率的乘積為負數；根據靈敏度標準調整溫度變化感應裝置的靈敏度；使溫度變化感應裝置感測溫度變化。本發明溫度感應方法使用程式碼來設定不同環境溫度下的靈敏度，亦即以軟體方式進行溫度補償，可實現完美的靈敏度曲線，進而提高感應準確度。
本發明提供一種溫度變化感應裝置及其方法。在較佳實施例中，本發明的溫度變化感應裝置及其方法應用於例如PIR感應燈、PIR感應電鈴等PIR感應裝置中。
圖2A為本發明溫度變化感應裝置的一實施例的功能方塊圖。如圖2A所示，此溫度變化感應裝置包含感測單元10及控制單元20。感測單元10用以感測溫度變化，並據以產生溫差訊號ST 。當溫差訊號ST 的電壓位準不在非觸發範圍⊿V(見表2)內時，控制單元20產生控制訊號SC ，藉以控制電氣裝置100(例如PIR感應燈、PIR感應電鈴等PIR感應裝置)的作動。非觸發範圍⊿V的值視環境溫度T(見表2)而定，且藉由控制單元20中所執行的程式碼來加以設定。
圖2B為圖2A所示溫度變化感應裝置的感測單元的一實施例的示意圖。如圖2B所示，在本實施例中，感測單元10包含感應電路11及放大電路12。感應電路11包含焦電型紅外線感應器111。焦電型紅外線感應器111利用溫度的變化來感應待測人體或其他有熱能的物體的移動，並相應地輸出電訊號至放大電路12。放大電路12包含第一級運算放大器121及第二級運算放大器122，用來將焦電型紅外線感應器111輸出的mV(毫伏特)級的電訊號放大例如約1000倍後成為溫差訊號ST ，並輸出至控制單元20。在本實施例中，當感測單元10未感應到物體的移動時，放大電路12輸出2.5V的基準電壓。
圖2C為圖2A所示溫度變化感應裝置的控制單元的一實施例的示意圖。如圖2C所示，在本實施例中，控制單元20採用微控制器(Micro Controller Unit，MCU)來實現；然而在其他實施例中，控制單元20可以採用例如電腦等其他可執行程式碼的裝置。表1為環境溫度T與電壓VNTC1 的對照表。控制單元20中所執行的程式碼藉由輸入控制單元20的接腳1的電壓VNTC1 來判斷表1所示的環境溫度T，例如利用程式碼中的陣列(array)來儲存如表1所示的環境溫度T與電壓VNTC1 的對照表，當電壓VNTC1 的值在2.15V與2.34V之間時，則根據對照表判斷出環境溫度T的值在25℃與27.5℃之間。在本實施例中，電源VDD供給5V電壓至熱敏電阻NTC1與510KΩ的分壓電阻R20，熱敏電阻NTC1上的分壓─即電壓VNTC1 自控制單元20的接腳1輸入。在本實施例中，每一段環境溫度T的範圍為2.5℃，且不同段環境溫度T所對應的電壓VNTC1 的值之間有約0.03V的緩衝電壓；然而在其他實施例中，可視需求調整每一段環境溫度T的範圍以及緩衝電壓的大小，並可視熱敏電阻NTC1、分壓電阻R20、電源VDD的值等因素調整環境溫度T與電壓VNTC1 的對應關係。
表2為環境溫度T與非觸發範圍⊿V的對照表，其中每一段環境溫度T對應於一個非觸發範圍⊿V，並進而界定了各自的低界電壓VL 與高界電壓VH 。感測單元10所產生的溫差訊號ST 自控制單元20的接腳10輸入。當控制單元20中所執行的程式碼判斷出溫差訊號ST 的電壓不在非觸發範圍⊿V內時，使控制單元20產生控制訊號SC ，並從控制單元20的接腳6往電氣裝置100輸出控制訊號SC 。例如環境溫度T在25℃與27.5℃之間時，由於非觸發範圍⊿V為±0.8，因此低界電壓VL 為前述2.5V的基準電壓減去0.8V而成為1.7V，高界電壓VH 則為2.5V的基準電壓加上0.8V而成為3.3V。因此，環境溫度T在25℃與27.5℃之間時(VNTC1 =2.15~2.34V)，只有當控制單元20中所執行的程式碼判斷出自感測單元10輸入控制單元20的溫差訊號ST 的電壓小於低界電壓VL 或大於高界電壓VH 時，控制單元20才會產生控制訊號SC 。例如利用程式碼中的陣列來儲存環境溫度T與非觸發範圍⊿V的對照表，根據對照表判斷出當環境溫度T在25℃與27.5℃之間時，只有當輸入控制單元20的溫差訊號ST 的電壓小於1.7V或大於3.3V時，控制單元20才產生控制訊號SC 。
當非觸發範圍⊿V較小時，由於溫差訊號ST 的電壓值落在非觸發範圍⊿V外的機率相對地比較大，因而提高控制單元20產生控制訊號SC 的機率，進而使靈敏度提高；而當非觸發範圍⊿V較大時，由於溫差訊號ST 的電壓值落在非觸發範圍⊿V外的機率相對地比較小，因此降低控制單元20產生控制訊號SC 的機率，進而使靈敏度降低。由此可知，非觸發範圍⊿V的值與溫度變化感應裝置的靈敏度成反比。
圖3為如圖2B所示溫度變化感應裝置的非觸發範圍變化曲線的示意圖。如圖3所示，非觸發範圍⊿V相對於環境溫度T呈第一曲線CA 變化。在本實施例中，第一曲線CA 包含極小值點⊿Vmin 及極大值點⊿Vmax 。極小值點⊿Vmin 為第一曲線CA 中的極小值，且極小值點⊿Vmin 兩端的第一曲線CA 的斜率的乘積為負數，使得第一曲線CA 對應於極小值點⊿Vmin 的部分為正立的U型曲線。極小值點⊿Vmin 對應於高界溫度TH ，當環境溫度T接近高界溫度TH 時，控制單元20隨著環境溫度T的降低或升高而擴大非觸發範圍⊿V，亦即降低溫度變化感應裝置的觸發靈敏度，以避免環境溫度T較高時的熱風吹過等其他狀況被誤判為有人走過等情形。在較佳實施例中，高界溫度TH 係介於31℃與36℃之間(在本實施例中係介於32.5℃與35℃之間)；然而在其他實施例中，高界溫度TH 可以為其它值。
極大值點⊿Vmax 為第一曲線CA 中的極大值，且極大值點Vmax 兩端的第一曲線CA 的斜率的乘積為負數，使得第一曲線CA 對應於極大值點Vmax 的部分為倒立的U型曲線。極大值點⊿Vmax 對應於低界溫度TL ，當環境溫度T接近低界溫度TL 時，控制單元20隨著環境溫度T的降低或升高而縮小非觸發範圍⊿V，亦即提高溫度變化感應裝置的觸發靈敏度，以避免環境溫度T較低時人們穿著厚重衣物而造成不容易感應人體的移動等情形。在較佳實施例中，低界溫度TL 係介於15℃與20℃之間(在本實施例中係介於15℃與17.5℃之間)；然而在其他實施例中，低界溫度TL 可以為其它值。
此外，在其他實施例中，可以視需求僅選擇實現極小值點⊿Vmin 或極大值點⊿Vmax ，亦即僅在環境溫度T接近低界溫度TL 時擴大非觸發範圍⊿V，或僅在環境溫度T接近高界溫度TH 時縮小非觸發範圍⊿V，此時表2中環境溫度T與非觸發範圍⊿V的對應關係需要作相應的調整。
本發明溫度變化感應裝置使用程式碼來設定不同環境溫度下的靈敏度，亦即以軟體方式對感測單元10所產生的溫差訊號ST 進行溫度補償，相較於先前技術中使用熱敏電阻進行溫度補償的作法，可不受限制地實現理想的靈敏度曲線，進而能達到更高的感應準確度。
圖4A為本發明溫度感應方法的一實施例的步驟流程圖。在本實施例中，此溫度感應方法使用於包含感測單元及控制單元的溫度變化感應裝置。其中感測單元感測溫度變化並據以產生溫差訊號，控制單元執行程式碼，當溫差訊號的電壓位準不在與靈敏度成反比的非觸發範圍內時，控制單元產生控制訊號，進而控制與溫度變化感應裝置連接的電氣裝置。如圖4A所示，步驟410執行程式碼，以根據環境溫度設定靈敏度標準。如圖4B所示，靈敏度S相對於環境溫度T呈第二曲線CB 變化，在本實施例中，第二曲線CB 包含極小值點Smin 及極大值點Smax 。靈敏度與非觸發範圍的值如前所述成反比關係，因此第二曲線CB 與圖3所示的第一曲線CA 相反。極小值點Smin 為第二曲線CB 中的極小值，且極小值點Smin 兩端的第二曲線CB 的斜率的乘積為負數，使得第二曲線CB 對應於極小值點Smin 的部分為正立的U型曲線。極小值點Smin 對應於低界溫度TL ，當環境溫度T接近低界溫度TL 時，控制單元隨著環境溫度T的降低或升高而提高溫度變化感應裝置的觸發靈敏度，以避免環境溫度T較低時人們穿著厚重衣物而造成不容易感應人體的移動。極大值點Smax 為第二曲線CB 中的極大值，且極大值點Smax 兩端的第二曲線CB 的斜率的乘積為負數，使得第二曲線CB 對應於極大值點Smax 的部分為倒立的U型曲線。極大值點Smax 對應於高界溫度TH ，當環境溫度T接近高界溫度TH 時，控制單元隨著環境溫度T的降低或升高而降低溫度變化感應裝置的觸發靈敏度，以避免環境溫度T較高時的熱風吹過等其他狀況被誤判為有人走過等情形。
步驟420使程式碼根據靈敏度標準調整溫度變化感應裝置的靈敏度。在較佳實施例中，如圖4C所示，圖4A中的步驟420包含步驟421使程式碼比較環境溫度與低界溫度，當環境溫度接近低界溫度時，隨著環境溫度的降低或升高而縮小非觸發範圍。在本實施例中，低界溫度係介於15℃與20℃之間；然而在其他實施例中，低界溫度可以為其它值。步驟422使程式碼比較環境溫度與高界溫度，當環境溫度接近高界溫度時，隨著環境溫度的降低或升高而擴大非觸發範圍。在本實施例中，高界溫度係介於31℃與36℃之間；然而在其他實施例中，高界溫度可以為其它值。然而在其他實施例中，步驟420可以只包含步驟421或步驟422。
步驟430使溫度變化感應裝置感測溫度變化。此時由於溫度變化感應裝置已經過溫度補償，因此具有較高的感應準確度。
本發明溫度感應方法使用程式碼來設定不同環境溫度下的靈敏度，亦即以軟體方式進行溫度補償，相較於先前技術中使用熱敏電阻進行溫度補償的作法，可不受限制地實現理想的靈敏度曲線，進而有更高的感應準確度。
本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明的範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明的範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明的範圍內。
10．．．感測單元
11．．．感應電路
111．．．焦電型紅外線感應器
12．．．放大電路
121．．．第一級運算放大器
122．．．第二級運算放大器
20．．．控制單元
100．．．電氣裝置
NTC1．．．熱敏電阻
R20．．．分壓電阻
ST ．．．溫差訊號
SC ．．．訊號
VDD．．．電源
圖1A為習知溫度變化感應裝置的靈敏度曲線示意圖；
圖1B為理想的溫度變化感應裝置靈敏度曲線的示意；
圖2A為本發明溫度變化感應裝置的一實施例的功能方塊圖；
圖2B為圖2A所示溫度變化感應裝置的感測單元的一實施例的示意圖；
圖2C為圖2A所示溫度變化感應裝置的控制單元的一實施例的示意圖；
圖3為如圖2B所示溫度變化感應裝置的非觸發範圍變化曲線的示意圖；
圖4A為本發明溫度感應方法的一實施例的步驟流程圖；
圖4B為圖4A所示溫度感應方法的靈敏度變化曲線的示意圖；以及
圖4C為圖4A所示溫度感應方法中調整靈敏度的步驟的一實施例的流程圖。
10．．．感測單元
20．．．控制單元
100．．．電氣裝置
ST ．．．溫差訊號
SC ．．．訊號

Claims (10)

  1. 一種溫度變化感應裝置，包含：一感測單元，用以感測溫度變化，並據以產生一溫差訊號；以及一控制單元，執行一程式碼以根據環境溫度而設定一非觸發範圍；其中，當該溫差訊號的位準不在該非觸發範圍內時，該控制單元產生一控制訊號，該非觸發範圍相對於環境溫度呈一第一曲線變化，該第一曲線包含至少一第一極值點，該第一極值點兩端的該第一曲線的斜率的乘積為負數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的溫度變化感應裝置，其中該第一極值點為極大值並對應於一低界溫度，使得當環境溫度低於該低界溫度時，隨著環境溫度的降低而縮小該非觸發範圍，當環境溫度高於該低界溫度時，隨著環境溫度的升高而縮小該非觸發範圍。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的溫度變化感應裝置，其中該低界溫度實質上介於攝氏15度與20度之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的溫度變化感應裝置，其中該第一極值點為極小值並對應於一高界溫度，使得當環境溫度低於該高界溫度時，隨著環境溫度的降低而擴大該非觸發範圍，當環境溫度高於該高界溫度時，隨著環境溫度的升高而擴大該非觸發範圍。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的溫度變化感應裝置，其中該高界溫度實質上介於攝氏31度與36度之間。
  6. 一種溫度感應方法，供使用於一溫度變化感應裝置，該方法包含下列步驟：執行一程式碼以根據環境溫度設定一靈敏度標準，其中該靈敏度標準隨著環境溫度的不同而呈一第二曲線變化，該第二曲線包含至少一第二極值點，該第二極值點兩端的該第二曲線的斜率的乘積為負數；使該程式碼根據該靈敏度標準調整該溫度變化感應裝置的靈敏度；以及使該溫度變化感應裝置感測溫度變化。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的溫度感應方法，其中該第二極值點為極小值並對應於一低界溫度，且該溫度變化感應裝置包含一感測單元及一控制單元，該感測單元感測溫度變化，並據以產生一溫差訊號，該控制單元執行該程式碼，當該溫差訊號的位準不在與該靈敏度成反比的一非觸發範圍內時，該控制單元產生一控制訊號，調整該溫度變化感應裝置的靈敏度的步驟包含：比較環境溫度與該低界溫度；當環境溫度低於該低界溫度時，隨著環境溫度的降低而縮小該非觸發範圍；以及當環境溫度高於該低界溫度時，隨著環境溫度的升高而縮小該非觸發範圍。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的溫度感應方法，其中該低界溫度實質上介於攝氏15度與20度之間。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的溫度感應方法，其中該第二極值點為極大值並對應於一高界溫度，且該溫度變化感應裝置包含一感測單元及一控制單元，該感測單元感測溫度變化，並據以產生一溫差訊號，該控制單元執行該程式碼，當該溫差訊號的位準不在與該靈敏度成反比的一非觸發範圍內時，該控制單元產生一控制訊號，調整該溫度變化感應裝置的靈敏度的步驟包含：比較環境溫度與該高界溫度；當環境溫度低於該高界溫度時，隨著環境溫度的降低而擴大該非觸發範圍；以及當環境溫度高於該高界溫度時，隨著環境溫度的升高而擴大該非觸發範圍。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的溫度感應方法，其中該高界溫度實質上介於攝氏31度與36度之間。
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