CH690253A5 - Elektronische Steuereinrichtung zur berührungslosen Steuerung einer Anlage. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuereinrichtung zur berührungslosen Steuerung einer Anlage gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 



  Die erfindungsgemässe Anlage kann vorzugsweise eine sanitäre Anlage, insbesondere ein Urinal, ein Waschtisch oder eine WC-Anlage sein. 



  Elektronische Steuereinrichtungen dieser Art sind insbesondere bei sanitären Anlagen bekannt. Sie kommen auf diesem Gebiet zusehends mehr zur Anwendung, einerseits im öffentlichen Bereich aus hygienischen Gründen, andererseits generell zur Reduktion des Wasserverbrauchs. 



  Ein Nachteil der bekannten Steuereinrichtungen dieser Art besteht darin, dass der Erfassungsbereich schlecht definiert ist. 



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Steuereinrichtung der genannten Art zu schaffen, die nebst einem einfacheren elektrischen und mechanischen Aufbau eine verbesserte Definition des Erfassungsbereichs gestattet und zudem kostengünstig herstellbar ist. 



  Diese Aufgabe wird durch eine Steuereinrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. 



  Ein Vorteil der erfindungsgemässen Steuereinrichtung besteht darin, dass Fehlauslösungen vermieden werden, weil die Steuereinrichtung nur innerhalb eines definierten Erfassungsbereichs aktiv ist, indem Tastobjekte ausserhalb dieses Erfassungsbereichs durch eine Hintergrundausblendung unwirksam gemacht werden. 



  Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemässen Steuereinrichtung ist, dass sie weitgehend unempfindlich auf das Störlicht ist, das beispielsweise von Sparlampen, Leuchtstoffröhren mit Vorschaltgeräten usw. ausgestrahlt wird. 



  Die erfindungsgemässe Steuereinrichtung eignet sich insbesondere zur Steuerung von Sanitäranlagen. Denkbar sind jedoch auch Anwendungen auf anderen Gebieten. 



  Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. 



  Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: 
 
   Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemässe Steuereinrichtung an einem Urinal, 
   Fig. 2 eine Darstellung der Intensität eines Signals an einem ersten Empfänger und eines Signals an einem zweiten Empfänger in Abhängigkeit vom Abstand des reflektierenden Objekts zum Sender, 
   Fig. 3 ein Blockschaltbild einer PSD-Dioden-Schaltung, 
   Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit nach der Erfindung, und 
   Fig. 5 ein Blockschaltbild einer modifizierten PLL-Schaltung zur Verwendung in der erfindungsgemässen Steuereinheit. 
 



  Die Fig. 1 zeigt ein Urinal 14, das an einer Wand 15 befestigt ist. Zur Spülung des Urinals 14 ist dieses an einer  Wasserleitung 13 angeschlossen. Mit einem in der Leitung 13 eingebauten Spülventil 12 wird die Spülung aufgrund eines Steuersignals der erfindungsgemässen Steuereinrichtung 34 geöffnet bzw. geschlossen. Die Steuereinrichtung 34 ist beispielsweise hinter einer Abdeckung 7 in einer Nische 35 der Wand 15 untergebracht. Eine elektrische Leitung 36 verbindet eine Steuereinheit 11 der Steuereinrichtung 34 mit dem Spülventil 12. 



  Die Steuereinrichtung 34 umfasst eine Sendelinse 10, die in einer \ffnung 38 der Abdeckung 7 befestigt ist. Hinter dieser Sendelinse 10 ist ein Sender 6 angeordnet, der über eine Leitung 39 mit der Steuereinheit 11 verbunden ist. Der Sender 6 ist vorzugsweise eine Lichtdiode, die Infrarot-Lichtimpulse erzeugt. Der Energieverbrauch ist hierbei sehr klein, sodass mittels einer hier nicht gezeigten Batterie die Einrichtung etwa zwei Jahre betrieben werden kann. Die Steuereinrichtung 34 umfasst zudem eine Empfangslinse 8, die in einem Abstand zur Sendelinse 10 in einer \ffnung 40 der Abdeckung 7 befestigt ist. Hinter der Linse 8 ist, etwas nach unten versetzt, eine Empfangsvorrichtung 37 angeordnet, die zwei Empfänger 1 und 2 aufweist.

   Die Empfänger 1 und 2 können übliche Infrarot-Empfangsdioden sein, die, wie in Fig. 1 gezeigt, in einer zur Abdeckung 7 parallelen Ebene nebeneinander in einem durch die Optik und den gewünschten Erfassungsbereich 31 gegebenen Abstand zum Sender 6 angeordnet sind. 



  Der Sender 6 sendet gerichtete, von der Wand 15 weggehende Signale 20 aus. Befindet sich nun ein Tastobjekt, z.B. ein Benutzer in einem Erfassungsbereich 31, so erzeugen die Signale 20 auf diesem einen hier nicht näher dargestellten Lichtfleck, der in der Regel diffus reflektiert wird. Die Empfangslinse 8 empfängt einen Anteil 23 dieser diffus reflektierten Strahlung und bildet diese hauptsächlich auf dem zweiten Empfänger 2, zu einem geringeren Teil auch auf dem Empfänger 1 ab. 



  Befindet sich der Benutzer oder ein sonstiges Tastobjekt gerade an einem bestimmten Grenzpunkt 17, so wird ein Lichtfleck am Benutzer ebenfalls diffus reflektiert, jedoch derart, dass der von der Empfangslinse 8 empfangene reflektierte Strahlungsanteil im Wesentlichen zu gleichen Teilen zum ersten Empfänger 1 und zum zweiten Empfänger 2 gelangt. 



  Befindet sich nun der Benutzer in einem noch weiter vom Sender 6 entfernten Hintergrund 32, beispielsweise an einem Punkt 16, so wird die von der Empfangslinse 8 abgebildete Strahlung hauptsächlich vom ersten Empfänger 1 empfangen. 



  Die Kurven S1 und S2 in Fig. 2 zeigen bei der Anordnung gemäss Fig. 1 den Verlauf der Intensität y des Signals am Empfänger 1 bzw. am Empfänger 2 in Abhängigkeit vom Abstand x eines Tastobjektes zum Sender 6. Wie ersichtlich, ist das Signal S1 am Empfänger 1 stärker als das Signal S2 am Empfänger 2, wenn sich das Tastobjekt jenseits des Grenzpunktes 17 befindet. Ist hingegen der Abstand zum Sender 6 des  Tastobjektes kleiner als der Abstand des Grenzpunktes 17, so ist umgekehrt auch das Signal S2 am Empfänger 2 stärker als das Signal S1. Durch ein Vergleich der Signale S1 und S2 an beiden Empfängern 1 und 2 kann somit ein Tastobjekt, das sich zwischen dem Grenzpunkt 17 und der Sendelinse 10 befindet, von einem Tastobjekt im Hintergrund 32 unterschieden werden.

   Der Grenzpunkt 17 ist dann auch bei relativ dunklen Tastobjekten gut erkennbar, wenn die Signale S1 und S2 voneinander subtrahiert werden. Die Empfangsvorrichtung 37 kann auch mehr als zwei Empfänger bzw. Dioden aufweisen, wenn eine Unterteilung in weitere Bereiche gewünscht ist. Insbesondere kann die Empfangsvorrichtung 37 auch eine Differentialdiode oder eine PSD-Diode (Position Sensitive Diode) in Brückenschaltung sein. 



  Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Empfangsvorrichtung 37 ist eine PSD-Dioden-Schaltung, die eine handelsübliche PSD-Dioden-Brücke und einen Verstärker 45 umfasst. Die PSD-Dioden-Brücke weist eine sogenannte PSD-Diode 41 und drei Widerstände 42, 43, 44 auf. Die PSD-Diode 41 ist in Fig. 3 als eine Ersatzschaltung dargestellt, die eine Fotodiode und ein Potentiometer umfasst. Die Position des Schwerpunktes des Lichteinfalls symbolisiert dabei die Schleiferstellung. 



  Gemäss der vorliegenden Erfindung wird der Sender 6 gepulst, um IR-Signale, beispielsweise von 1 bis 500  mu s und 1 bis 500 kHz zu senden. Vorzugsweise weisen jedoch diese IR- Signale eine Breite von ca. 10  mu s bei einer Repetitionsfrequenz von ca. 33 kHz auf. Am Ausgang des Verstärkers 45 erhält man daher eine Wechselspannung Sd. 



  Die in Fig. 4 dargestellte Steuereinheit 11 umfasst eine an sich bekannte Steuerschaltung 11 min  und eine vorgeschaltete Phasensynchronisierungsschaltung 5, die in die Mess-Strecke eingefügt ist, derart, dass sie eingangsseitig mit dem Ausgangssignal Sd der Empfangsvorrichtung 37 beaufschlagt ist und ein Signal Si für den Sender 6 liefert. Die Schaltung 5, die beispielsweise eine modifizierte PLL-Schaltung nach Fig. 5 ist, liefert auch das korrigierte Nutzsignal Sn für die Steuerschaltung 11 min , die daraus ein Steuersignal Sc für die Anlage 12, 13, 14 erzeugt. 



  Die in Fig. 5 dargestellte modifizierte PLL-Schaltung 5 weist eine PLL-Schleife mit einer spannungsabhängigen Oszillatorschaltung oder VCO-Schaltung 51, einem Phasendetektor 52 und einem Tiefpassfilter 53 auf. Diese PLL-Schaltung 5 umfasst zudem einen eingangsseitig mit dem Ausgangssignal Sd des Verstärkers 45 (Fig. 3) beaufschlagten 90 DEG -Phasenschieber 54, sowie den in  Fig. 1 dargestellten Sender 6, der vom Ausgangssignal Si der VCO-Schaltung 51 gesteuert wird. Das Eingangssignal Sn der Steuerschaltung 11 (Fig. 4) kann das Ausgangssignal Sv des Phasendetektors 52 sein. Vorzugsweise wird dazu aber das "Lock Signal" eines Verriegelungssignal-Detektors 55, auch "Lock"-Detektor genannt, verwendet, der eingangsseitig mit dem Ausgangssignal  des 90 DEG -Phasenschiebers 54 und mit dem Ausgangssignal des Oszillators 51 beaufschlagt ist. 



  Das Schaltungsprinzip nutzt die Tatsache, dass die modifizierte PLL-Schaltung 5 auf ihr eigenes VCO-Signal einrastet, wenn dieses um 90 DEG  phasenverschoben an seinem Phasendetektor-Eingang anliegt. Wird beispielsweise als Phasenschieber ein einfacher RC-Tiefpass verwendet, dann rastet die PLL-Schaltung auf der Frequenz
 
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  Wird nun die IR-Mess-Strecke bestehend aus der IR-Sendediode 6, dem diffus reflektierenden Gegenstand G und einer Differentialdiode bzw. die PSD-Schaltung 37, an geeigneter Stelle in den PLL-Schaltkreis integriert, so ergibt sich mit einfachen Mitteln ein hochempfindlicher und sehr störfester IR-Sensor mit Hintergrundausblendung. 



  Der 90 DEG -Phasenschieber kann z.B. als Verstärker mit Tiefpass-Charakteristik, beispielsweise mit 3dB-Abfall im Bereich zwischen 1 und 500 kHz und    20 dB/Dek, ausgebildet sein. 



  Vorzugsweise wird der VCO-Verstellbereich durch schaltungstechnische Massnahmen nach dem Stand der Technik derart begrenzt, dass der PLL-Schaltkreis nur im Umfeld der durch  den 90 DEG -Phasenschieber definierten Schwingfrequenz einrasten kann. Zusätzlich kann der Verstärker 45 nebst der Tiefpass-Charakteristik im oberen Frequenzbereich zusätzlich eine Hochpass-Charakteristik im unteren Frequenzbereich aufweisen, sodass er in vorzüglicher Weise geeignet ist, nicht nur das Störlicht zu unterdrücken, das beispielsweise von Sparlampen, Leuchtstoffröhren mit Vorschaltgeräten usw. ausgestrahlt wird, sondern auch die Signalkomponenten, die von einer Konstantlichtquelle und/oder von niederfrequenten IR-Störsignalquellen, z.B. die 100 Hz IR-Störsignale von Glühlampen ausgestrahlt werden. Diese Signalkomponenten könnten ansonst den Verstärker 45 übersteuern. 



  Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Steuereinrichtung besteht darin, dass der PLL-Schaltkreis nur einrasten kann, wenn der Signalpfad der IR-Mess-Strecke nicht unterbrochen, bzw. wenn dort ein diffus reflektierender Gegenstand vorhanden ist. 



  Die Hintergrundausblendung ergibt sich dadurch, dass die Einrastbedingung für den PLL-Schaltkreis infolge des begrenzten VCO-Verstellbereiches innerhalb der IR-Mess-Strecke keine wesentliche zusätzliche Phasendrehung erlaubt. Denn bei einem Gegenstand im Hintergrundbereich beträgt die Phasendrehung der Brückenschaltung etwa 180 DEG , sodass der PLL-Schaltkreis dort nicht einrasten kann. Demgegenüber ist bei einem sich im Vordergrundbereich befinden den Gegenstand die Phasendrehung ungefähr 0 DEG , sodass der PLL-Schaltkreis in jedem Fall einrastet. 



  Die gesamte PLL-Schaltung inklusive "Lock"-Detektor wird vorzugsweise in eine sogenannte IC-Schaltung (Integrated Circuit) integriert. 

Claims (10)

1. Elektronische Steuereinrichtung zur berührungslosen Steuerung einer Anlage, mit wenigstens einem Sender (6) zur Abgabe gerichteter gepulster Lichtsignale und einer Empfangsvorrichtung (37), die auf an einem Tastobjekt (16, 17, 18) reflektierte Lichtsignale (21, 22, 23) anspricht und daraus ein elektrisches Nutzsignal (Sd) erzeugt, das einer auf die Anlage (12, 13, 14) einwirkenden Steuerschaltung (11 min ) zugeführt wird, wobei die Empfangsvorrichtung (37) mindestens zwei Empfänger (1;

2) aufweist, die in einem Triangulationsverfahren durch Differenzbildung zur Bestimmung der Distanz zwischen dem Tastobjekt und der Anlage dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (11 min ) Teil einer Steuereinheit (11) ist, die zusätzlich eine Phasensynchronisierungsschaltung (5) umfasst, die in eine Mess-Strecke (Sd, Si) zwischen dem Ausgang (Sd) der Empfangsvorrichtung (37) und dem Eingang (Si) des Senders (6) eingefügt und ausgestaltet ist, um ein korrigiertes Nutzsignal (Su; Sv; Sw) zu liefern, das mit den Phasen der gepulsten Sendesignale phasenkohärent ist.

2.

Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasensynchronisierungsschaltung (5) eine sogenannte PLL-Schleife mit einer spannungsabhängigen Oszillatorschaltung (51), einem Phasendetektor (52) und einem Tiefpassfilter (53) aufweist, und dass zwischen dem Ausgang der Empfangsvorrichtung (37) und dem Eingang des Phasendetektors (52) ein 90 DEG -Phasenschieber (54) eingefügt ist.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrastbereich der PLL-Schleife derart begrenzt ist, dass sie nur im Umfeld des 90 DEG -Phasenschiebers (54) einrasten kann.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Senders (6) mit dem Ausgang der Oszillatorschaltung (51) verbunden ist.

5.

Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber (54) als Verstärker mit Tiefpass-Charakteristik ausgebildet ist.

6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Verstärker (54) im unteren Frequenzbereich zusätzlich eine Hochpass-Charakteristik aufweist.

7. Steuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Verstärker (54) eine Bandpass-Charakteristik im Frequenzbereich von 1 kHz bis 500 kHz aufweist, und/oder dass ein Sender (6) für Infrarot-Signale mit einer Impulsdauer im Bereich zwischen 1 und 500 mu s und mit einer Repetitionsfrequenz im Bereich zwischen 1 und 500 kHz vorhanden ist.

8.

Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verriegelungssignal-Detektor (55) vorhanden ist, der eingangsseitig an den Phasenschieber (54) und an die Oszillatorschaltung (51) angeschlossen und ausgangsseitig mit der Steuerschaltung (11 min ) verbunden ist.

9. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsvorrichtung eine PSD-Dioden-Schaltung ist, die eine PSD-Dioden-Brücke und einen Verstärker umfasst.

10. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Sanitäranlage, insbesondere ein Urinal, ein Waschtisch oder eine WC-Anlage ist.