CN111025416A - 红外线感测装置 - Google Patents

Abstract

一种红外线感测装置，包括红外线发射模块、感知单元、环境光补偿电路及输出控制电路。红外线发射模块包括调制器及红外线发光源，提供调制后的脉冲红外线。感知单元包括光感知器及光电流至电压转换器。光感知器用以感知包括红外线信号及环境光信号，并转化输出光电流信号。光电流至电压转换器接收光电流信号并转换成脉冲信号。环境光补偿电路接收脉冲信号并输出环境光补偿信号。输出控制电路分别接收比较电压及环境光补偿信号后同步检知，并输出待测物的测得信号或测失信号。

Description

红外线感测装置

【技术领域】

本发明是有关一种具有环境光自动补偿电路的红外线感测装置，特别是用于智慧家电的高灵敏度红外线感测装置。

【背景技术】

节能减碳是21世纪人们面临的共同课题，推广节能标章的家电更是刻不容缓。根据EIA统计，英美家庭照明占15％，在冷热气方面占19-22％。通过人体位置感测器，当人不在时可自动进入节能模式，藉以兼顾舒适与节能，应用于旅馆或商业场所，更具有20-28％的节能效果，显现节能效益。

传统人体位置感测器采焦电式感测器(PIR)，仅可动态感测，当人体固定或长时间没有移动时则信号消失，因焦电式感测器无法分辨人不在或是人在但是没移动，如应用于阅读灯或厕所照明等时常造成困扰，也因未能适时关闭冷气而无法达到节能效果。此外，机器与人的互动过程中更需要感知人的存在，例如无人商店或是自动贩卖机，当人走近时自动亮灯。由于人停留时间长短不一，需要可感知人体常在(Occupancy)的感测器，这是传统焦电式感测器所无法达成的。

俗知的厕所冲水器感测人体距离只能0.3米左右，这是因为在远距离(例如1.5米)时，其反射回来的信号与距离四次方成反比，在1.5米距离时其反射信号是0.3米的0.16％，需要更精密的补偿电路，才能更可靠的检测人体的存在。此外，硅质光感知元件，例如光二极管或是光晶体管，皆存在暗电流输出，环境温度每增加10℃，则暗电流倍增。

另一方面，使用的演算放大器输入抵补电压的问题、使用环境的光变化等亦会影响到光感知器的输出，以上原因使得远距离人体感测时，无法以单一比较器位准计算，否则感知的环境的光变化会远大于人体反射回来的信号，而无法可靠地感测人体常在与否。

过往，曾有设计以调制器将红外光调制于高频(例如38kHz)，以避免噪声信号干扰，再以带通滤波器滤波后交流放大，区别待测物(例如人体)反射回来的光信号与环境杂散光与光感知器的暗电流。惟此方式，在交流放大时环境杂散光与光感知器的暗电流仍调制在接收的光脉冲中,而无法有效地排除。

综上所述，如何克服现有红外线感测器的上述缺陷便是目前极需努力的目标。

【发明内容】

本发明提供一种红外线感测装置，包括红外线发射模块、感知单元、环境光补偿电路及输出控制电路。红外线发射模块包括调制器及红外线发光源，提供调制后的脉冲红外线。感知单元包括光感知器及光电流至电压转换器。光感知器用以感知红外线信号(红外线信号是调制后的脉冲红外线经由待测物的反射线)及环境光信号，并转化输出光电流信号。光电流至电压转换器接收光电流信号并转换成脉冲信号。环境光补偿电路接收脉冲信号并输出环境光补偿信号。输出控制电路分别接收并比较一比较电压及环境光补偿信号经过比较器后做同步检知，并输出测得信号或测失信号。

本发明提供另一种红外线感测装置，包括红外线发射模块、感知单元、环境光补偿电路及输出控制电路。其中，环境光补偿电路接收脉冲信号并经过低通滤波器滤波后，输出滤波后的环境光补偿信号。输出控制电路分别接收并比较经过低通滤波器滤波后的脉冲信号及环境光补偿信号后同步检知，降低光电流导通或断路瞬间的噪声信号干扰。

本发明提供又一实施例，提供一种红外线感测装置，包括红外线发射模块、感知单元、环境光补偿电路及输出控制电路。其中，环境光补偿电路通过抽样电路接收的休止时区抽样信号，经过反相器、加法器、二级放大器及低通滤波器处理过后，输出环境光补偿信号。红外线发射模块与输出控制电路之间，通过检知延迟电路连接，降低因低通滤波器造成的延迟影响。

以下通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

【附图说明】

图1绘示依照本发明一实施例的红外线人体感测装置结构电路示意图。

图2绘示依照本发明一实施例的调制器的输出时序图。

图3绘示依照本发明一实施例的加法器示意图。

图4绘示依照本发明另一实施例的红外线人体感测装置结构电路示意图。

图5绘示依照本发明另一实施例的红外线人体感测装置结构电路示意图。

【符号说明】

1、2、3：红外线感测装置

10：红外线发射模块

20：感知单元

30、32、34：环境光补偿电路

40：输出控制电路

101：调制器

102：光发射驱动器

103：红外线发光源

104：光感知器

105：光电流至电压转换器

106：偏压电路

107：比较器

108：偏压电阻

109：同步检知电路

110：延迟时间调整器

111：延迟电阻

112：延迟电阻

113：输出推动级

114：开源输出MOS晶体管

121：抽样电路

122：加法器

123：反相器

124：加法器

125：二级放大器

126、131、132：低通滤波器

133：检知延迟电路

【具体实施方式】

以下将详述本发明的各实施例，并配合图式作为例示。除了该多个详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以申请专利范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或元件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。图式中相同或类似的组件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意的用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求图式的简洁。

请参考图1，绘示依照本发明一实施例的红外线人体感测装置1结构图。红外线感测装置1，包括红外线发射模块10、感知单元20、环境光补偿电路30及输出控制电路40。红外线发射模块10包括调制器(modulator)101、光发射驱动器102(例如是LED驱动积体电路)及红外线发光源103(例如红外线发光二极管)，以提供一调制后的脉冲红外线。

感知单元20接收于红外线发射模块10经过物体反射的光信号，包括光感知器104、光电流至电压转换器105及偏压电路106。光感知器104用以感知一红外线信号(包括由一待测物反射的红外线)及一环境光信号，并转化输出一光电流信号。由于光感知器104可能会有暗电流输出，此暗电流是环境温度的函数。因此，输出的光电流信号可能包括红外线信号、环境光信号(环境杂散光)及暗电流。

光电流至电压转换器105例如是一转阻放大器，光电流至电压转换器105的一输入端电性连接于光感知器104，接收光电流信号并转换成脉冲信号。光电流至电压转换器105的一另输入端电性连接于偏压电路106，通过偏压电路106及偏压电组108，提供一直流偏压，此直流偏压可通过偏压电组108调变，作为一预设临界值电压。

于图1的环境光补偿电路30包括一抽样电路121及一加法器122，环境光补偿电路30电性连接于光电流至电压转换器105的输出端，接收脉冲信号并输出一环境光补偿信号。抽样电路121可包括一类比开关及一抽样储存电容(图未示)。抽样电路121电性连接于光电流至电压转换器105的输出端，以于调制后的脉冲红外线的休止区间(绘示于图2)抽样来自光电流至电压转换器的输出。抽样储存电容可用来储存光电流至电压转换器105在休止时区Tb的直流电压，此直流电压讯号包括偏压、光感知器104的暗电流、光电流至电压转换器105的输出抵补电压、光感知器104感测到的环境杂散光等。加法器122具有一输入端电性连接至抽样电路121的输出端，另一输入端电性连接至一固定电压(例如偏压电路106及偏压电阻108输出的偏压)，以及一输出端电性连接至输出控制电路40。

图2绘示依照本发明一实施例的调制器的输出时序图。于一实施例中，可调制红外线发光源的占空比(Duty ratio)，亦即，于发射时区Ta发光，于休止时区Tb停止发光。Ta/Tb可以设定小于0.2，且发射时区Ta与休止时区Tb的比例例如可为1：8至1：1000，且较佳地介于1：8至1：10，更佳地为1：9。通过休止时区Tb远大于发射时区Ta，可以使用较正常驱动电流(20mA)更高，例如以200mA驱动电流来驱动红外线发光源，增加光功率输出(增加光电流转光电压的信号强度)。此外，因为休止时区Tb较长，可做环境光与暗电流抽样检测，用来自动调节比较器107的位准(将说明于下段)。

输出控制电路40电性连接于感知单元20及环境光补偿电路30的输出端，输出控制电路40包括比较器107、同步检知器109、延迟时间调整电路110、输出推动级113及开源输出MOS晶体管114。比较器107包括两输入端，分别接收并比较一比较电压及环境光补偿信号后的直流电压，提供同步检知器109作同步检知，并由同步检知器109输出待测物的测得信号或测失信号。于此实施例中，比较电压例如为光电流至电压转换器105输出的脉冲电压。待测物的测得信号例如是感测到人体进入感测范围的信号，测失信号例如是感测到人体离开感测范围的信号。

图3绘示依照本发明一实施例的加法器图。比较器107的位准差代表待测物(例如人体)真正反射回来的信号强度，而能做远距离人体检测(例如1.5m)。具体而言，加法器的结构如图4所示。加法器的两个输入电压分别为Va与Vb，所串接的电阻分别为Ra与Rb，则加法器输出

Vo为

假设Va为抽样电路121抽样后的输出，Vb为偏压值，取Rb/(Ra+Rb)＝0.9，则环境光变动影响90％可以反应在加法器122的输出，可用来微调整比较器107的比较水准，以克服环境光变动的影响。于此所述的环境光变动的影响，包括光感知器104的暗电流(随环境温度变化影响)。

比较器107的输出电性连接至同步检知器109，同步检知器109例如包括具有两个输入的及(AND)电路,其一个输入是接收比较器的输出,另一输入是发光时区信号，为避免偶发环境光的影响，使用了同步感知检测(Synchronized detection)原理，以提高感测输出的可靠度。同步检知器109仅在光发射时区(Ta，绘示于图2)才取样比较器107的输出，得出测得待测物(例如是测得人体进入感应区的测得信号)，或者，待测物消失(例如是测得人体离开感应区的测失信号)。同步检知器109的输出电性连接到延迟时间调整电路110，通过延迟电阻111与延迟电阻112分别设定测得待测物(ON)与测失待测物(OFF)的延迟时间。

于应用于智慧家电的实施例中，可测得待测物(如人体)后，延迟一秒钟再输出控制信号，或者，测失待测物(如人体)后才输出控制信号，例如延迟时间调整电路110的输出信号提供至输出推动级113，调控智慧家电的状态。输出推动级113例如为缓冲放大器，用来驱动开源输出MOS晶体管114，提供开源级输出信号。由于开源输出MOS晶体管114具备高耐压特性，可应用于输出控制，例如推动一个继电器做大电流与高压控制。

图4绘示依照本发明另一实施例的红外线人体感测装置2的结构图。红外线人体感测装置2与图1的红外线人体感测装置1相似之处，容此不再赘述。红外线人体感测装置2包括红外线发射模块10、感知单元20、环境光补偿电路32及输出控制电路40。输出控制电路40的输入端包括第一输入端及第二输入端，第一输入端电性连接环境光补偿电路32，以接收一环境光补偿后的直流偏压，作为环境光补偿信号。第二输入端通过低通滤波器131电性连接光电流至电压转换器105，以接收滤波脉冲信号作为比较电压。

于此实施例中，环境光补偿电路32更包括低通滤波器132电性连接于加法器122的输出端，用以滤除高频噪声信号，再输出至输出控制电路40。此外，光感知单元20与输出控制电路40之间，更电性连接低通滤波器131。光电流至电压转换器105输出后，亦先经过低通滤波器131滤除高频噪声信号，再输出至输出控制电路40。低通滤波器131及低通滤波器132可滤除光电流导通瞬间，产生的瞬间脉冲信号。

输出控制电路40，电性连接于感知单元20及环境光补偿电路30的输出端，分别接收并比较一比较电压及一环境光补偿信号后同步检知，并输出待测物的测得信号或测失信号。于此实施例中，比较电压例如为光电流至电压转换器105输出后，经低通滤波器131滤除高频噪声信号的脉冲电压。环境光补偿信号例如是经过如图1的加法器122的输出，再经低通滤波器132滤除高频噪声信号用以微调整比较器107的比较水准，降低环境光变动的影响。

图5绘示依照本发明又一实施例的红外线人体感测装置3的结构图，可以100％消除环境光变动的影响。红外线人体感测装置3与图1的红外线人体感测装置1相似之处，容此不再赘述。红外线人体感测装置3包括红外线发射模块10、感知单元20、环境光补偿电路34及输出控制电路40。

于此实施例中，环境光补偿电路34包括抽样电路121、反相器123、加法器124、二级放大器125以及低通滤波器126。抽样电路121电性连接并受控于调制器101，以于调制后的脉冲红外线的休止区间抽样，并输出抽样信号。反相器123电性连接抽样电路121的输出端以接收抽样信号，并输出一反相信号，此反相信号为光电流至电压转换器105在休止时区Tb所抽样的直流电压噪声信号。加法器124分别电性连接反相器123及光电流至电压转换器105，以接收反相信号及调制后的脉冲红外线的脉冲信号，并输出一加总信号，此加总信号以消除直流电压噪声信号。换句话说，抽样电路121的输出经过反相器123后，于加法器124作相加，加法器124的直流输出可以回复到偏压电路106提供给光电流至电压转换器105的偏压值。当反射光脉冲来时，环境光的直流信号已被减除。

通过二级放大器125电性连接于加法器124以接收加总信号，并输出一放大信号，二级放大器125可以反应实际的红外光反射待测物的信号。并通过低通滤波器126电性连接于二级放大器125及输出控制电路40，二级放大器125的输出可经低通滤波器126输出后再输出至输出控制电路40的比较器107，滤除电流导通与断路瞬间的瞬间脉冲信号(高频噪声信号)。

输出控制电路40，电性连接于感知单元20及环境光补偿电路34的输出端，分别接收并比较一比较电压及一环境光补偿信号后同步检知，并输出待测物的测得信号或测失信号。于此实施例中，输出控制电路40包括第一输入端及一第二输入端，第一输入端电性连接环境光补偿电路34，以接收经环境光直流补偿的二次放大脉冲信号，且第二输入端电性连接偏压电路106，以接收预设临界值电压。预设临界值电压可以依据偏压电路106、偏压电阻108与+V之间的参数设计。于此实施例的比较电压例如为预设临界值电压，用以微调整比较器107的比较水准，用来调整感测距离的设定(感度设定)。

输出控制电路40包括比较器107、同步检知器109、延迟时间调整电路110及输出推动电路113及开源输出MOS晶体管114。比较器107电性连接于偏压电路106的偏压电阻108构成的预设临界值电压及环境光补偿电路34，分别接收含待测物反射信号的脉冲信号及直流偏压。同步检知器109，电性连接比较器107的输出端及调制器101，以于红外线发光源103的发光区间Ta取样并输出取样信号。延迟时间调整电路110电性连接于同步检知器109的输出端，且包括第一电阻111及第二电阻112，通过阻值的设计可分别调整待测物测得后所输出的测得信号延迟时间，并调整该待测物消失所输出的测失信号延迟时间。输出推动电路113电性连接于延迟时间调整电路110的输出端，依据该测得信号延迟时间及该测失信号延迟时间，提供一开源级输出信号。

本发明的红外线发射模块包括一调制器，用来区分发光二极管的发射与休止。发光二极管例如是高功率红外线发光二极管，通过大电流驱动以增加光发射的输出，并调制(modulate)较小的发射(导通)与休止(关闭)时间比例(占空比)，使得发射(导通)时间较短，休止(关闭)时间较长，即可以相较正常驱动电流(例如20mA)的较高驱动电流(例如200mA)驱动。在关闭(休止)时间则检测环境光与暗电流，据以自动调节比较器的位准，降低环境光与暗电流的干扰，可以自动调节比较器的位准，使得比较器位准差更贴近待测物(例如人体)反射的信号强度，达到远距离(约1.5m)的人体检测的效果。此外，通过同步感知检测(Synchronized detection)原理降低偶发环境光的影响，提高感测输出的可靠度。

本发明的自动环境光补偿电路，利用光发射的休止时间检测环境光，提供输出控制电路调整比较水准，据以自动减除此直流位准后，才放大待测物(人体)反射回来的信号，故得以可靠地检测远距离的人体反射信号，达成可感测待测物常在的感测目标。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以的限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种红外线感测装置，其特征在于，包括：

一红外线发射模块，包括一调制器及一红外线发光源，以提供一调制后的脉冲红外线；

一感知单元，接收该调制后的脉冲红外线经过一待测物反射回来的脉冲光信号，包括：

一光感知器，用以感知一红外线信号以及一环境光信号，并转化输出一光电流信号，其中该红外线信号是该调制后的脉冲红外线经由该待测物的反射光线；

一光电流至电压转换器，电性连接于该光感知器，接收该光电流信号并转换成一脉冲信号；

一环境光补偿电路，电性连接于该光电流至电压转换器的输出端，接收该脉冲信号并输出一环境光补偿信号；

一输出控制电路，电性连接于该感知单元及该环境光补偿电路的输出端，分别接收并比较一比较电压及该环境光补偿信号后同步检知，并输出该待测物的测得信号或测失信号，其中该比较电压与该脉冲信号或一预设临界值电压有关。

2.根据权利要求1所述的红外线感测装置，其特征在于，该红外线发射模块更包括一光发射驱动器，电性连接于该调制器及该红外线发光源，受该调制器调整占空比及输出电流，以驱动该红外线发光源，其中占空比介于0.001至0.2之间。

3.根据权利要求1所述的红外线感测装置，其特征在于，该环境光补偿电路包括一抽样电路，电性连接于该光电流至电压转换器的输出端，以于该调制后的脉冲红外线的休止区间抽样来自该光电流至电压转换器的输出。

4.根据权利要求1所述的红外线感测装置，其特征在于，该环境光补偿电路包括：

一抽样电路，连接并受控于该调制器的输出端；以及

一加法器，具有一输入端电性连接至该抽样电路之输出端，一另一输入端电性连接至该预设临界值电压，以及一输出端电性连接该输出控制电路。

5.根据权利要求4所述的红外线感测装置，其特征在于，该加法器的输出端电性连接至一第一低通滤波器，通过该第一低通滤波器再电性连接该输出控制电路。

6.根据权利要求1所述的红外线感测装置，其特征在于，该光电流至电压转换器电性连接一第二低通滤波器，并通过该第二低通滤波器电性接到该输出控制电路。

7.根据权利要求1所述的红外线感测装置，其特征在于，该环境光补偿电路包括：

一抽样电路，电性连接并受控于该调制器，以于该调制后的脉冲红外线的休止区间抽样，并输出一抽样信号；

一反相器，电性连接该抽样电路之输出端以接收该抽样信号，并输出一反相信号；

一加法器，分别电性连接该反相器及光电流至电压转换器，以接收该反相信号及该脉冲信号，并输出一加总信号；

一二级放大器，电性连接于该加法器以接收该加总信号，并输出一放大信号；以及

一第三低通滤波器，电性连接于该二级放大器及该输出控制电路，以提供一滤波信号。

8.根据权利要求4所述的红外线感测装置，其特征在于，该输出控制电路的输入端包括包括一第一输入端及一第二输入端，其中：

该第一输入端电性连接该环境光补偿电路，以接收一环境光补偿后的直流偏压，作为该环境光补偿信号；以及

该第二输入端通过一第二低通滤波器电性连接该光电流至电压转换器，以接收一滤波脉冲信号作为该比较电压。

9.根据权利要求7所述的红外线感测装置，其特征在于，该输出控制电路的输入端包括一第一输入端及一第二输入端，其中：

该第一输入端电性连接该环境光补偿电路，以接收经环境光直流补偿的一二次放大脉冲信号，且

该第二输入端电性连接一偏压电路，以接收该预设临界值电压。

10.根据权利要求1所述的红外线人体感测装置，其特征在于，该输出控制电路包括：

一比较器，具有一输入端接收一直流偏压，一另一输入端接收该脉冲信号；

一同步检知器，电性连接该比较器的输出端及该调制器，以于该红外线发光源的发光区间取样，并输出一取样信号；

一延迟时间调整电路，电性连接于该同步检知器的输出端，包括一第一电阻及一第二电阻，分别调整该待测物测得后所输出的测得信号延迟时间，以及调整该待测物消失所输出的测失信号延迟时间；以及

一输出推动电路，电性连接于该延迟时间调整电路的输出端，依据该测得信号延迟时间及该测失信号延迟时间，提供一开源级输出信号。

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