专利名称：红外感应探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及红外感应探测装置，具体的讲是一种无线Pir (被动)红外感应探测装置。
背景技术：
在安保等一些监控领域中，pir (被动)红外感应探测器是一种常用的仪器设备。 传统红外感应探测器的供能方式主要有两种，一种是以有线方式提供工作所需的能量，如通过220VAC或12A4VDC供电；另一种是采用电池方式供电。这两种供电方式在实际安装过程中要求进行复杂的布线，并且在使用过程中要求定期或不定期的对系统或电池进行维护，这些要求给安装和使用都带来一定的困难。除此之外，限制现有Pir红外感应探测器采用以上两种方式提供能量的主要原还因为电路功耗大，其长期工作时需要有较大功率的电源为其提供持续的能源。
pir红外感应探测器做出控制动作的方式也主要有两种，一种是直接控制有线回路的通断，另一种是以无线信号的形式将感应信号进行转发；第一种控制方式需要布线与其相配合，给实际安装带来困难。第二种控制方式在安装过程中比较方便，但国家对无线电发射功率有严格的要求，限制了无线发射的功率，对电路设计要求较高。发明内容
针对上述情况，本发明提供了一种红外感应探测装置，特别是一种低能耗的无线红外感应探测装置，能够通过光电转换以太阳能为红外探测装置提供电能，并且通过无线方式对信号进行发送，避免了复杂的布线和长期的维护，也使各组成设备的安装可根据实际情况任意分布，提高了安装的灵活性。同时光电转换还能够快速提供工作电压。
本发明的红外感应探测装置中，包括有分别与储能供电单元连接的红外感应单元、无线发射单元和照度感应单元，且红外感应单元和照度感应单元分别与无线发射单元连接并提供传感触发信号。其中的储能供电单元为在太阳能的光电转换装置与电能输出端之间设置有储能结构，所说的储能结构为并联状态的第一储能装置和第二储能装置，且第二储能装置的储能容量大于第一储能装置，在第二储能装置所在的并联电路中，在该第二储能装置之前还设有第一电压控制结构及受其控制的第一开关单元控制该充电电路的通断，只当第一储能装置的输出电压高于该第一电压控制结构的设定阈值时，第一电压控制结构导通第一开关单元对第二储能装置充电。
本发明装置中的储能供电单元可以在较弱的光照条件下储存电能，并使由其供电的设备装置能够正常进行工作。当能量存储满后，可供用电设备持续工作数十小时。其基本工作过程和原理，是由太阳能的光电转换装置的输出电流先对储能容量较小第一储能装置充电，使其能被快速充电可满足后端电路最低工作电压的输出电压，并开始为后端电路供电。而在与第一储能装置并联的第二储能装置电路中，由于第一储能装置的输出电压尚未达到第一电压控制结构的设定阈值，因此第二储能装置的电路处于截止状态。只有当第(等于或高于)第一电压控制结构的设定阈值，该第一电压控制结构才导通第一开关单元，开始对第二储能装置充电，直到第一储能装置因持续供电使输出的电压低于后端电路的工作电压及第一电压控制结构的设定阈值时，光电转换装置的输出电流才停止对第二储能装置充电，并重新开始对第一储能装置充电，使其能快速实现重新向后端输出供电，如此反复。当该大储能容量的第二储能装置存储到足以满足提供输出的电能后，后端电路在开始由第二储能装置向后端进行长时间持续供电。
储能供电单元进行光电转换并存储能量，为整个电路提供正常工作所需的能量。 当整个电路正常工作后，红外感应单元感测物体的移动，并将模拟信号进行放大后转换为数字信号，输入到无线发射单元中。同时，照度感应单元对环境照度进行感测，并将模拟信号放大后转换为数字信号，同样输入到无线发射单元中。无线发射单元根据红外感应单元和照度感应单元输入信号的变化，判断是否发送相应的无线信号。
在上述结构基础上，所述的光电转换装置优选为并联状态的至少两组，以增加光电转换量，满足能够更快速地为第一储能装置和第二储能装置充电，缩短充电时间的使用需要。
另一种可选择的改进方案，是所说的第二储能装置也可以采用并联的至少两组电容结构，以增大电能的存储容量，满足能够为后端电路提供更长久供电的需要。
上述结构中，所述第二储能装置所在的并联电路中的开关单元，可优选采用 MOSFET (场效应管)、PNP型三极管或NPN型三极管等元器件，如!^airchild半导体公司 PowerTrench工艺的低栅压P沟道MOSFET等，其具有开启电压低(1. 8V)，导通电阻小，开关速度快等特点，能够有效的减小电路的功耗。MOS管是目前常用的一种导通控制结构，P沟道MOS管具有低电平导通特性，能够更方便的实现电路功能。所说的用于控制其通/断的第一电压控制结构，可以选择目前已有报道和/使用的intersi 1公司生产的超低功耗复位芯片ISL88003系列，或MAXMIN的超低功耗复位芯片系列产品等。这类芯片具有可以选择多种不同复位电平的特点，可以适应和满足不同情况的使用需要。
实验表明，本发明红外感应探测装置中，除特殊的目的或需要外，所说的第一储能装置可优选采用为至少一个容量彡470UF的钽电容结构，如AVX公司生产的TAJ系列钽电容，型号如 TAJC337*006#NJ、TAJD337*006#NJ、TAJD4777*006#NJ 等；第二储能装置可优选采用为至少一个容量彡0. 33F的法拉电容结构，如Panasonic公司生产的SD系列法拉电容及SG系列法拉电容，型号如EECSOHD 104(H)、EECS5R5 (H) 474，也可以是Shoei公司生产的 PAS614L型号的PAS法拉电容。采用所述容量和型号的电容结构能够满足通常情况下的使用需要。
本发明的上述红外感应探测装置中，所述红外感应单元的一种具体结构，可以为包括红外传感器和其后经第一放大单元连接的门限比较电路形式，其输出与所述的无线发射单元连接。该红外感应单元以微功耗电路为基础，特别是采用低功耗的红外传感器和集成运放器件，实现感测物体移动的功能。低功耗的红外传感器能够感测到半径4米范围内的物体移动。所述的红外传感器可以采用PerkinElmer公司生产的LHi 1128四源P^红外传感器。门限比较电路对由红外传感器采集的输入信号进行转换并与预设的门限上下限阈值电压进行比较，并将超过门限阈值的异常信号转换为数字高电平信号输出，作为触发无线发射单元的一个条件信号。门限比较电路中的集成运算放大器可选用intersil公司生4产的ISL28194低功耗、轨对轨集成运放器件，或Maxim公司生产的MAX920低功耗集成运放器等器件。
在此基础上，上述红外感应单元中所说的第一放大单元，除可以选择目前已有报道/使用的各种放大电路结构或元器件外，一般可优选采用包括由顺序连接的第一放大结构(或模块)和第二放大结构(或模块)组成的两级放大结构形式。第一级放大电路放大倍数一般可设定在10 20倍，第二级放大电路放大倍数一般设定在50 100倍，最终将有效交流信号放大1000倍左右。其中第一放大结构(模块)和第二放大结构(模块)可分别采用如intersil公司生产的ISL28194低功耗、轨对轨集成运放器件，其正常工作时所需的电流为330nA，或Maxim公司生产的MAX920低功耗集成运放器，其正常工作时所需的电流为 380nA，也可以是其它适用的常见低功耗器件。
同样，上述的门限比较电路，除可以选择目前已有报道/使用的各种电路结构外， 一种可供参考方式，是由包括若干(例如至少两个)分压电阻及分别跨接于不同分压电阻间的两个(如需要也可以为更多个)运算放大结构组成，并由其不同跨接点的电阻分压分别提供各运算放大结构门限比较电压的阈值上下限。所说的分压电阻，较简单的可以如在一个可供参考的实施例中采用由串联的若干电阻组成，或是采用带有中间连接抽头的电阻结构寸。
本发明的上述红外感应探测装置中，除上述的红外感应单元外，还设置有照度感应单元，以扩大感应监测信息的适用范围。所述的照度感应单元一般可以由包括感测环境照度的光敏结构以及其后的依次连接的第二放大单元或模块以及运算比较结构组成，其中该运算比较结构的输入端同时还与用于提供设定基准电压的可调电阻连接，运算比较结构的输出端与所述的无线发射单元连接。其中的光敏结构可以采用如PerkinElmer公司生产的VTB8440B，或森霸光电有限公司生产的LLS05-A等器件。第二放大单元或模块以及运算比较结构，可以分别采用如intersil公司生产的ISL28194低功耗、轨对轨集成运放器件， 或Maxim公司生产的MAX920低功耗集成运放器等器件。
上述的红外感应单元和照度感应单元的输出信号以并列方式可分别经各自的整流结构及其后适当的开关单元产生触发信号输入包括无线发射芯片的无线发射单元，经与无线发射芯片连接的天线发送感应探测信号。其中的整流结构可以采用如Wiilips公司生产的BAS70-05或BAT54C肖特基二极管等元器件。由于无线发射要求发射功率限值小于 5mff(e.r. ρ)，发射信号的占空比限值小于1%，有效传输距离不小于100m，因此无线发射芯片可以选用待机状态下的功耗为0. 2uA的STM300无线发射芯片，或nrf系列中的nrf240、 nrf240U nrf24L、nrf905 等芯片，以及如 Chipcon 公司的 SmartRF 04 系列中的 CC2500、 CC2550等模块、PTR2030无线收发模块，或采用Zigbee技术的无线收发模块等形式。
由于本发明的红外感应探测装置中，该储能供电单元能够对较小的太阳能进行采集、光电转换和存储电能，既能满足快速为后端电路提供所需的供电电压/电流，明显缩短对后端电路供电的等待时间，使后端电路能够快速开始工作，同时又能够实现为后端电路提供长时间的正常供电。并且通过无线方式对信号进行发送，避免了复杂的布线和长期的维护，也使各组成设备的安装可根据实际情况任意分布，提高了安装的灵活性。
以下结合附图所示实施例的具体实施方式
，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
图1是本发明红外感应探测装置的结构框图。
图2是图1中储能供电单元的一种结构示意图。
图3是图1中红外感应单元中红外感应部分的一种结构示意图。
图4是图1中红外感应单元的门限比较电路的一种结构示意图。
图5是图1中照度感应单元的一种结构示意图。
图6是图1中无线发射单元的一种结构示意图。
具体实施方式
如图1所示本发明的红外感应探测装置，包括分别与储能供电单元连接的红外感应单元、无线发射单元和照度感应单元，并且红外感应单元和照度感应单元能够分别为无线发射单元提供向适当控制和/或执行机构发射异常探测信息无线信号的触发信号。
如图2所示的储能供电单元，其结构为在太阳能的光电转换装置Jl与电能输出端之间设置有储能结构，所说的储能结构为并联状态的第一储能装置Cl和第二储能装置C2， 其中第一储能装置采用容量为470uF的钽电容结构，第二储能装置采用容量为0. 33F的法拉电容结构。为了提高充电电流的输入量，缩短对第一储能装置Cl和第二储能装置C2的充电时间，可以将光电转换装置Jl设置为并联状态的多组(图中示出的为两组)。为了增大第二储能装置C2的能量存储量，第二储能装置C2也可设置为并联的两组电容结构C21和 C22，还可以设置为并联的更多组电容结构。
在第二储能装置C2所在的并联电路中，在该第二储能装置C2之前还设有第一电压控制结构Ul及受其控制的第一开关单元Ql控制该充电电路的通断，只当第一储能装置 Cl的输出电压VCC高于该第一电压控制结构Ul的设定阈值时，第一电压控制结构Ul导通第一开关单元Ql对第二储能装置C2充电。在第一储能装置Cl和第二储能装置C2与前端的光电转换装置Jl之间，分别各连接有由二极管形式的前端整流结构Dl构成的整流单元， 同时在第一储能装置Cl和第二储能装置C2的电能输出端，也分别经各自连接的由二极管形式的后端整流结构D2构成的相应整流单元将电能输出，以保证在没有光照时，电路中法拉电容的电荷只供给后端电路使用，在本电路上没有任何消耗。在第二储能装置C2所在的并联电路中，在该第二储能装置C2之前，还设有由intersi 1公司生产的超低功耗复位芯片 ISL88003系列(或MAXMIN的超低功耗复位芯片系列)等构成的第一电压控制结构Ul及受其控制的开关单元Ql，控制该充电电路的通断。其中开关单元Ql可以选择如FAIRCHILD公司生产的FDN304P或infineon生产的BSS138N的P沟道MOSFET等。只有当第一储能单元 Cl的输出电压VCC等于或高于该第一电压控制结构Ul的设定阈值(可根据不同使用需要设定)时，第一电压控制结构Ul才导通该第一开关单元Q1，开始对第二储能单元C2充电。
在储能供电单元的初始状态没有储能时，由光电转换装置Jl提供的电流为第一储能装置Cl快速充电，且在其正端电压低于第一电压控制结构Ul的设定阈值的复位电压时，第一电压控制结构Ul的RESET管脚输出与输出电压VCC的管脚相同的电压，从而使开关单元Ql处于截止状态，第二储能装置C2不被充电。由于第一储能装置Cl容量相对较小， 因此能够实现在短时间内迅速将第一储能装置Cl的电压充电后端电路最低工作电压VCC 以上，开始为后端电路供电。
当第一储能装置Cl的电压充电Ul设定阈值的复位电压后，第一电压控制结构Ul 的RESET管脚输出低电平，从而使开关单元Ql导通，此时由太阳能光电转换装置Jl提供的电流改由通过开关单元Ql向第二储能装置C2充电。由于第二储能装置C2容量较大，其充电电压上升缓慢，但此时第一储能装置Cl电压已经能够保证后端电路正常工作，不会影响到后端电路的正常工作。
当第一储能装置Cl持续供电后使其供电电压降至第一电压控制结构Ul的复位电压以下时，第一电压控制结构Ul的RESET管脚重新将开关单元Ql截止，停止对第二储能装置C2充电，并重新恢复对第一储能装置Cl充电。当第一储能装置Cl的电压重新回到第一电压控制结构Ul的复位电压以上后，开关单元Ql才再次导通，又开始对第二储能装置C2 充电。如此往复，直到第二储能装置C2充电至后端电路最低工作电压VCC以上后，由第二储能装置C2为后端电路提供长时间的供电。
通过计算可知，设电路中第二储能单元C2的容值为C，其最大充电电压为Umax，由于法拉电容放电不完全存在最低工作电压Umin，则其能够存储的能量为法拉电容所存储的电荷为β__,，即G == 。所以，其能够提供能量的安时数。如果充电电流为Iin，则法拉电容充电时间为C 乂([/腿-CZiiil) _艮卩！ =--0χ dV^ — Ijjf χιJiJjf
本发明装置中的无线发射单元正常工作时所需的电流为0.8 μ A，红外感应单元和照度感应单元正常工作时所需的电流总共为6μΑ，最低工作电压为2. IV，如果电容结构C21和C22电压充至4. 5V时，其持续工作时长为β == ,其中ι="n),进一步得知 =勵,即一次充满电后，能够持续工作两天(48小时)以上。太阳能的光电转换装置Jl选用在2001ux光照下输出电压为5V电流为ISuA的太阳能板，则第一储能装置Cl充电后，为后端电路快速提供工作电压的时间为1= 470x1tr^3j MgCte,也就是在2001ux的光照下两分钟以内可以幵始工作，极大的提髙18x10了工作效率，缩短了启动时间。
图1中的红外感应单元，可以包括红外传感器和其后经第一放大单元连接的门限比较电路，其输出与所述的无线发射单元连接。其中的红外感应部分结构，可如图3所示， 其中的红外传感器JRl将接收到的信号通过由顺序连接的第一放大模块U2和第二放大模块U5组成的两级放大结构输出至门限比较电路，将红外传感器JRl输出的模拟信号转换为数字信号后输出。红外感应单元以微功耗电路为基础，采用低功耗的红外传感器JRl和集成运放器件，实现感测物体移动的功能。所述的红外传感器JRl可以采用PerkinElmer公司生产的LHill28四源MR红外传感器。第二放大模块TO的输出out2分为两路，一路进行自身反馈，一路输出至门限比较电路。第一放大模块U2和第二放大模块U5可分别采用 intersil公司生产的ISL28194低功耗、轨对轨集成运放器件，其正常工作时所需的电流为 330nA，或Maxim公司生产的MAX920低功耗集成运放器，其正常工作时所需的电流为380nA， 也可以是其它适用的常见低功耗器件。
图4是上述红外感应单元中的一种门限比较电路，对输入信号进行电压比较，并转换为数字电平信号输出，作为触发无线发射单元的一个条件信号。门限比较电路中包括依次串联设置的三个分压电阻R11，R14，R18及分别跨接于第二分压电阻R14前后两端的两个运算放大模块U3，TO组成，并由R14前后两端的不同分压分别提供该两运算放大模块U3， U6门限比较电压的阈值上下限基准电压。因为来自第二放大模块TO的信号常为不规则的交流波形，当U5的输入信号在由U3和U6限定的高低门限阈值内时，TO的输出out3 为低电平，无触发信号向无线发射单元输出；如果来自U5输入信号超出U3和U6限定的门限阈值时，U6的输出out3则为高电平，向无线发射单元输出的有效的触发信号。在TO之后，还可以设置一整形模块U4，使输出的触发信号波形更加规则。门限比较电路中的高门限检测模块U3和低门限检测模块TO，以及整形模块U4可选用intersil公司生产的ISL28194 低功耗、轨对轨集成运放器件，或Maxim公司生产的MAX920低功耗集成运放器等器件。
如图5所示的是图1中的一种照度感应单元的结构，包括感测环境照度的光敏结构D5以及其后依次连接的第二放大单元(模块)Ul和运算比较结构(模块)U9组成，运算比较结构(模块)U9的输入端同时还与用于提供设定基准电压的可调电阻RP连接，运算比较结构(模块)U9的输出端light与所述的无线发射单元连接。光敏结构D5可以采用 PerkinElmer公司生产的VTB8440B，或森霸光电有限公司生产的LLS05-A等器件。第二放大结构(模块)Ul和运送人比较结构(模块)U9，分别可采用intersil公司生产的ISL28194 低功耗、轨对轨集成运放器件，或Maxim公司生产的MAX920低功耗集成运放器等器件。
在图6所示的是图1中的一种无线发射单元的结构。上述的红外感应单元和照度感应单元输出的有效触发信号，以并列方式分别经各自的整流结构D7及其后由场相应管 Q3，Q4，Q5组成的的开关单元产生触发信号，输入包括无线发射芯片U7的无线发射单元，经与无线发射芯片U7连接的天线发送出感应探测信号。其中整流结构D7可以采用Philips 公司生产的BAS70-05或BAT54C肖特基二极管等器件。由于无线发射要求发射功率限值小于5mW(e.r. ρ)，发射信号的占空比限值小于1%，有效传输距离不小于100m，因此无线发射芯片U7可以选用待机状态下的功耗为0. 2uA的STM300无线发射芯片、或采用nrf系列中的 nrf240、nrf2401、nrf24L、nrf905 等芯片，以及 Chipcon 公司的 SmartRF 04 系列中的 CC2500、CC2550等模块、PTR2030无线收发模块，或采用Zigbee技术的无线收发模块等形式。
本发明装置的工作过程为，储能供电单元进行光电转换并存储能量，为整个电路提供正常工作所需的能量。当整个电路正常工作后，红外感应单元感测物体的移动，并将模拟信号进行放大后转换为数字信号，输入到无线发射单元中。同时，照度感应单元对环境照度进行感测，并将模拟信号放大后转换为数字信号，同样输入到无线发射单元中。无线发射单元根据红外感应单元和照度感应单元输入信号的变化，判断是否将相应的无线信号向控制、报警和/或执行机构发送出去。
权利要求
1.红外感应探测装置，其特征为包括分别与储能供电单元连接的红外感应单元、无线发射单元和照度感应单元，且红外感应单元和照度感应单元分别与无线发射单元连接并提供传感触发信号，其中的储能供电单元为在太阳能的光电转换装置(Jl)与电能输出端之间设置有储能结构，所说的储能结构为并联状态的第一储能装置(Cl)和第二储能装置(C2)， 且第二储能装置(C2)的储能容量大于第一储能装置(Cl)，在第二储能装置(C2)所在的并联电路中，在该第二储能装置(C2)之前还设有第一电压控制结构(Ul)及受其控制的第一开关单元(Ql)控制该充电电路的通断，只当第一储能装置(Cl)的输出电压(VCC)高于该第一电压控制结构(Ul)的设定阈值时，第一电压控制结构(Ul)导通第一开关单元(Ql)对第二储能装置(C2)充电。
2.如权利要求1所述的红外感应探测装置，其特征为所述的光电转换装置(Jl)为并联状态的至少两组。
3.如权利要求1所述的红外感应探测装置，其特征为所述的第二储能装置(C2)为并联的至少两组电容型结构。
4.如权利要求1所述的红外感应探测装置，其特征为所述的第二储能装置(C2)所在的并联电路中的开关单元(Ql)为MOSFET、PNP型三极管或NPN型三极管。
5.如权利要求1所述的红外感应探测装置，其特征为储能供电单元中的第一储能装置 (Cl)的容量为> 470uF，第二储能装置(C2)的容量> 0. 33F。
6.如权利要求1至5之一所述的红外感应探测装置，其特征为所述的红外感应单元包括红外传感器(JRl)和其后经第一放大单元连接的门限比较电路，其输出与所述的无线发射单元连接。
7.如权利要求6所述的红外感应探测装置，其特征为所述的第一放大单元为包括顺序连接的第一放大模块(U2)和第二放大模块(U5)的两级式放大结构。
8.如权利要求6所述的红外感应探测装置，其特征为所述的门限比较电路由包括若干分压电阻(Rll，R14，R18)及分别跨接于不同分压电阻间的两个运算放大结构(U3，U6)组成，并由不同跨接点的电阻分压分别提供两运算放大结构(U3，U6)门限比较电压的阈值上下限。
9.如权利要求1至5之一所述的红外感应探测装置，其特征为所述的照度感应单元由包括感测环境照度的光敏结构(D5)以及其后依次连接的第二放大单元(Ul)和运算比较结构(U9)组成，运算比较结构(U9)的输入端同时还与用于提供设定基准电压的可调电阻 (RP)连接，运算比较结构(U9)的输出端(light)与所述的无线发射单元连接。
10.如权利要求1至5之一所述的红外感应探测装置，其特征为红外感应单元和照度感应单元的输出信号以并列方式分别经各自的整流结构(D7)及其后的开关单元(Q3，Q4，Q5) 产生触发信号输入包括无线发射芯片(U7)的无线发射单元，经与无线发射芯片(U7)连接的天线发送感应探测信号。
全文摘要
红外感应探测装置，包括分别与储能供电单元连接的红外感应单元、无线发射单元和照度感应单元，红外感应和照度感应单元分别与无线发射单元连接并提供传感触发信号。储能单元包括光电转换装置和并联状态的第一、第二储能单元，且第二储能单元的容量大于第一单元。第二储能单元前还设有第一电压控制结构及受其控制的第一开关单元。当第一储能单元的输出电压达到第一电压控制结构的阈值时，第一电压控制结构导通第一开关单元对第二储能单元充电。该红外感应探测装置能够存储电能和快速为后端电路提供工作电流，明显缩短对后端电路供电的等待时间，并以低能耗方式工作和以无线方式发送探测信号，避免了复杂的布线和长期的维护，提高了根据实际情况安装设备的灵活性。
文档编号G01J1/18GK102507015SQ20111029751
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者何江华, 徐立杰 申请人:成都英泰力电子有限公司