用于测量物体的物理尺寸的装置和饮水设备的制作方法

本发明涉及物体的物理尺寸检测领域，具体地涉及一种用于测量物体的物理尺寸的装置和饮水设备。

背景技术：

应用与于用电器中的测量物体高度的方案，一般通过电容感应方案或者超声波扫描等方案实现，其中电容感应方案中杯子必须贴近传感器导致应用不便，而超声波方案成本较高，因此目前还没有出现应用方便且成本低的方案。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在的检测物体高度的方案应用不方便或者成本高的问题，提供一种用于测量物体的物理尺寸的装置和饮水设备。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于测量物体的物理尺寸的装置，装置包括：

多个信号检测设备，每个信号检测设备包括信号接收单元和信号发射单元，每个信号接收单元与一物理尺寸相关联，信号接收单元被配置成接收反射信号，反射信号是从与信号接收单元相关联的信号发射单元发射并经由物体反射的信号，其中多个为大于等于两个；以及

处理器，与信号检测设备电连接，被配置成：

激活多个信号检测设备的信号接收单元以接收反射信号；

确定信号接收单元中信号接收状态与相邻的信号接收单元的信号接收状态不同的信号接收单元，其中接收状态包括成功接收到反射信号和未成功接收到反射信号；以及

根据与所确定的信号接收单元相关联的物理尺寸来确定物体的物理尺寸。

可选地，处理器进一步被配置成依次激活信号接收单元以接收反射信号。

可选地，处理器进一步被配置成依次激活信号发射单元以发射信号。

可选地，多个信号接收单元中的一部分或全部信号接收单元共用一个信号发射单元。

可选地，未成功接收到反射信号包括接收到的反射信号的信号强度低于阈值；

处理器进一步被配置成：

确定成功接收到反射信号的所确定的信号接收单元接收到的反射信号的第一信号强度；

确定未成功接收到反射信号的相邻信号接收单元接收到的反射信号的第二信号强度；

根据第一信号强度、第二信号强度、所确定的信号接收单元与物体之间的距离以及所确定的信号接收单元与相邻信号接收单元之间的间距确定修正量；以及

使用修正量来修正所确定的物理尺寸。

可选地，确定修正量包括：

确定第一信号强度与第二信号强度之间的差值；

根据差值与间距确定散射角；以及

根据散射角、间距以及距离确定修正量。

可选地，根据差值与间距确定散射角包括根据公式(1)确定散射角：

其中，θ是散射角，d是间距，s1是第一信号强度，s2是第二信号强度，a是信号强度与距离相关系数；

根据间距、散射角以及距离确定修正量包括根据公式(2)确定修正量：

δ＝d-(l*tanθ)公式(2)

其中，δ是修正量，d是间距，θ是散射角，l是距离。

可选地，处理器进一步被配置成根据第一信号强度确定距离。

可选地，该装置还包括：

距离检测设备，与处理器电连接，被配置成检测距离。

可选地，距离检测设备包括以下中的至少一者：

超声波测距传感器；

红外测距传感器。

可选地，多个信号接收单元分别与处理器的多个输入端电连接。

可选地，输入端为模数转换接口。

可选地，该装置还包括模数转换电路，多个信号接收单元通过模数转换电路与处理器的输入端电连接。

可选地，物理尺寸包括长度、高度、宽度中的一者。

可选地，反射信号包括反射光信号。

可选地，反射光信号为红外反射光信号。

本发明第二方面提供一种饮水设备，该饮水设备包括上述的用于测量物体的物理尺寸的装置。

可选地，饮水设备包括饮水机、饮料机、咖啡机中的一者。

通过上述技术方案，本发明实施方式的用于测量物体的物理尺寸的装置，包括并排设置的信号接收单元和信号发射单元的多个信号检测设备，和与这些信号检测设备电连接的处理器，其中这些每个信号接收单元关联一物理尺寸，处理器通过激活多个信号接收单元接收信号发射单元发射的反射信号，再确定相连的两个信号接收单元接收状态不同时，则根据信号接收单元关联的物理尺寸确定物体的物理尺寸。以此通过简单的方式实现检测物体的物理尺寸，而且由于该装置占用的安装体积小，方便安装在用电设备上。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明的实施方式的用于测量物体的物理尺寸的装置的框图；

图2示意性示出了根据本发明另一实施方式的用于测量物体的物理尺寸的装置的框图；

图3示意性示出了根据图2中的装置检测物体高度一应用场景的示意图；

图4示意性示出了基于图3中的装置的一实施方式的电路原理简图；

图5示意性示出了基于图3中的装置的另一实施方式的电路原理简图；

图6示意性示出了基于图3中的装置的另一实施方式的电路原理简图；

图7示意性示出了基于图5的装置在信号散射状态下的应用场景的示意图；

图8示意性示出了光强度和物体的高度的关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

需要说明，若本发明实施方式中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图1示意性示出了根据本发明的实施方式的用于测量物体的物理尺寸的装置的框图。参考图1，在本发明的实施方式中，该装置包括多个信号检测设备，每个信号检测设备包括信号接收单元和信号发射单元，这里的多个为大于等于两个，如图1中包括信号检测设备110至150的5个信号检测设备，具体的由信号发射单元31至35和信号接收单元11至15组成上述的5个信号检测设备110至150。每个信号接收单元与一物理尺寸相关联，信号接收单元被配置成接收反射信号，反射信号是从与信号接收单元相关联的信号发射单元发射并经由物体反射的信号；以及

处理器20，与信号检测设备电连接，被配置成：

激活多个信号检测设备的信号接收单元以接收反射信号；

确定信号接收单元中信号接收状态与相邻的信号接收单元的信号接收状态不同的信号接收单元，其中接收状态包括成功接收到反射信号和未成功接收到反射信号；以及

根据与所确定的信号接收单元相关联的物理尺寸来确定物体的物理尺寸。

处理器20的示例可以包括但不限于，通用处理器20、专用处理器20、常规处理器20、数字信号处理器20(dsp)、多个微处理器20、与dsp核心关联的一个或多个微处理器20、控制器、微控制器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)电路、其他任何类型的集成电路(ic)以及状态机等等。

其中，这里的物体的物理尺寸可以包括长度、高度和宽度中的一者。以该装置应用于饮水机为例，可测量饮水机的出水口的下方的接水容器(例如杯子)的高度，以此根据测量出的杯子的高度自动控制出水量，从而无需用户手动控制出水即可实现杯子自动接水。在另外一些应用场景中，还可以通过该装置测量物体的长度或宽度。

多个信号检测设备可以是相邻设置，优选为沿着测量物体的物理尺寸方向排列。以测量物体的高度为例，这些多个信号检测设备沿着高度方向排列，并进一步优选为并排设置，即每个信号检测设备沿着高度方向的一条直线排列，这样便于这些多个信号检测设备的统一安装。

在该实施方式中，信号发射单元发射的信号可以是可见光、红外光或者超声波等信号，优选为红外光，因为红外光为不可见光，不会影响到用户对产品的使用时的体验，而且红外光源易通过低成本方式获得，如通过成本低廉的红外发射二极管即可产生，此时信号接收单元也为成本低廉的红外接收头，从而信号检测设备的成本低。而通过物体反射的方式接收信号，易于将信号接收单元和信号发射单元设置于用电设备的同一侧。如用电设备为饮水机时，方便将信号接收器单元和信号发射单元相互靠近安装在饮水机的壳体上，且与待测物体如水杯可相对靠近，以此使得信号检测设备的占用的安装空间小，而且有利于减小饮水机设置的用于放置水杯的接水台的体积。如果采用对射的方式，即信号接收器单元和信号发射单元处于同一直线上，这样需要信号接收器单元和信号发射单元处于待测物体的两侧。以饮水机为例，需要安装信号接收器单元和信号发射单元的壳体部分有较大的安装位置，不便于饮水机的小型化。

在该实施方式中，每个信号检测设备的排列优选为沿着物体的要检测的物理尺寸的方向，如检测物体的高度时，可以沿着物体的高度方向顺次排列；检测物体的长度时，可以沿着物体的长度方向顺次排列。

由于每个信号检测设备并排设置，则物体的高度不同时，有的信号发射单元发射的信号能被物体所反射并由对应的信号接收单元接收到，而有的信号发射单元如果处于物体的物理尺寸之外如高度以外，则发射的信号不会被物体遮挡并反射，因而不能被对应的信号接收单元接收到。因此通过处理器20获取这些接收单元接收的反射信号的状态，当出现由能接收到信号转换为不能接收到信号时，则最后一个能接反射收信号的信号接收单元对应的高度为物体的高度。由于每个信号接收单元与一确定的物理尺寸相关联，即每个信号接收单元具有一确定的高度，因此通过信号接收单元的高度即能确定物体的高度。

值得说明的是，上述的每个信号接收器接收的反射信号，可以是对应的信号检测设备的信号发射单元发射的信号，也可以包括其他的信号发射单元发射的信号的反射信号。如当两个检测设备的信号发射单元同时工作时，则每个信号接收单元接收的信号会可能包含两个信号发射单元发射的信号的反射信号。

其中接收单元接收到反射信号和未成功接收到反射信号的具体识别方式，可以是根据反射信号的信号强度的不同确定。此方式处理器20需要获取到反射信号的信号强度，可根据信号强度低于预定阈值时确定为未成功接收到反射信号；或者根据接收到的反射信号的有无来确定是否接收到反射信号，此方式的处理器20识别到只有两种状态，即有信号和无信号。图1中每个信号接收单元分别连接到处理器20的一个端口，当端口为普通i/o时，则通过端口输入状态的高电平和低电平来识别出反射信号的有无，以此确定是否接收到反射信号；当端口为模数转换端口时，则通过该端口接收到的信号模拟量经处理器20内置的模数转换器转换为数字量，通过数字量的大小即可识别出信号的信号强度，当数字量低于预定阀值时，确定接收不到反射信号，以此识别出反射信号的接收状态的变化。

本发明实施方式的用于测量物体的物理尺寸的装置，包括并排设置的信号接收单元和信号发射单元的多个信号检测设备，和与这些信号检测设备电连接的处理器20，其中这些每个信号接收单元关联一物理尺寸，处理器20通过激活多个信号接收单元接收信号发射单元发射的反射信号，再确定相连的两个信号接收单元接收状态不同时，则根据信号接收单元关联的物理尺寸确定物体的物理尺寸。以此通过简单的方式实现检测物体的物理尺寸，而且由于该装置占用的安装体积小，方便安装在用电设备上。

针对上述的信号检测设备，处理器20在控制其工作时，存在几种控制方式：

在本发明的一实施方式中，处理器20可每次控制其中的一个信号发射单元工作，而控制其中的一部分或者全部的信号接收单元工作，这样这些信号接收器每次都同时接收一个信号发射单元发射的信号。由于不同的信号发射单元的位置不同，使得会出现有的信号接收器接收不到反射信号的情形，从而根据信号接收单元的接收信号的状态发生变化时的位置即可确定物体的高度。

在本发明的较佳实施方式中，处理器20进一步被配置成依次激活信号接收单元以接收反射信号，优选地，此时处理器20进一步被配置成依次激活信号发射单元以发射信号。

在该实施方式中，处理器20通过依次地激活每个发射单元发射信号，并以此的激活每个接收单元接收反射信号，使得在一个时间只有一个信号发射单元和一个信号接收单元工作，从而降低多个信号检测设备的功耗，也延长了这些检测设备的工作寿命。

图2示意性示出了根据本发明另一实施方式的用于测量物体的物理尺寸的装置的框图。在该实施方式中，与图1中的信号检测设备不同之处在于，每个信号检测设备的信号发射单元和信号接收单元优选为配对设置，二者靠近设置。以红外信号为例，此时每一个红外发射头和每一个红外接收头组成对管，二者并列设置。而且每个信号检测设备等距设置，每个信号检测设备之间的距离为其中的相邻的红外接收头或者红外发射头之间的距离，使得依次排列的每个信号检测设备的的物理尺寸均匀递增。

图3示意性示出了根据图2中的装置检测物体高度一应用场景的示意图。以红外信号为例，图中检测设备为红外对管，每个红外对管沿着物体的高度方向依次等距排列，处理器20依次激活红外对管150至110中的红外发射头发射红外信号，其中红红外对管150至120发射的红外信号能被物体反射使得红外对管中的红外接收头接收到反射的红外信号，而红外对管110发射的红外信号由于超过物体的高度不能被物体遮挡从而不能被物体反射，使得红外对管110的红外接收头接收不到红外反射信号。以此识别到接收红外信号的状态发生变化，从而根据红外对管120的对应的物理尺寸即可确定物体的高度。该实施方式中，物体高度的检测精度在于每个红外对管之间的间距，由于每个红外对管等距且沿着物体的高度方向排列，使得最终确定的物体高度的检测精度是固定不变的，从而检测精度可控。如果每个红外对管之间的间距不同，会使得物体高度的精度随着间距的不同发生变化，因而最终确定高度不可控，造成检测精度误差大。因此该实施方式在降低装置的功耗的同时还提升了检测精度。

图4示意性示出了基于图3中的装置的一实施方式的电路原理简图。参考图4，红外接收头re1至re5和红外发射头led1至led5彼此配对组成红外对管，每个红外接收头和红外发射头连接到处理器20的一端口，由于处理器20仅识别红外信号的有无，因此连接红外接收头的端口可采用和连接红外发射头相同的普通的i/o口。

基于该电路的装置检测物体高度的原理如下：

处理器20依次控制i/o端口p9、p7、p5、p3、p1输出低电平，使得红外发射头led5至led1依次发射红外光信号，处理器20通过i/o端口p10、p8、p6、p4、p2依次接收经物体反射后的红外光信号，根据这些断开输入的状态确定是否接收到红外光的反射信号，如当输入状态为高电平时识别为接收到红外光信号，当输入状态为低电平时识别为接收不到反射信号。从而识别出接收状态的不同。以此确定物体的高度。

图5示意性示出了基于图3中的装置的另一实施方式的电路原理简图。与图4不同之处在于，红外接收头re1至re5分别连接到处理器20的模数转换端口ad1至ad5。处理器20通过这些端口依次接收到红外光信号的反射信号的模拟量，并通过内置的模数转换器转换为数字量，通过数字量的大小即可识别出反射信号的信号强度，当数字量低于预定阀值时，确定未成功接收反射信号，以此确定出反射信号的接收状态的变化，从而确定物体的高度。

图6示意性示出了基于图3中的装置的另一实施方式的电路原理简图。与图5不同之处在于，该装置增加了模数转换电路，多个接收单元通过模数转换电路连接处理器20的输入端。参考图6，图6中模数转换电路包括专用的模式转换器40即ic2芯片，ic2芯片具有多个模拟量输入端口，包括vin1至vin5，分别连接到红外接收头re1至re5的输出端，ic2芯片通过串口通信与处理器20连接，以将经过模数转换的数字量经串口通信发送至处理器20。这样处理器20可以选择不带模数转换功能的芯片，而通过专用的模式转换器获取到每路反射信号的数字量。

在信号发射单元实际工作时，其发出的信号不是理想的直线，而是有一定发射角度即散射角度。以红外光为例，红外发射头发射的红外光信号具有大概10至15的散射角度。这使得信号检测设备发射的信号经物体反射后，其反射信号除了被自身的信号接收单元接收到，还被与之相邻的信号检测设备的信号接收单元接收到，从而影响了处理器20识别信号接收状态的不同，最终影响了物体的物理尺寸的确定。

为解决上述问题，在本发明的较佳实施方式中，未成功接收到反射信号包括接收到的反射信号的信号强度低于阈值；

处理器20进一步被配置成：

确定成功接收到反射信号的所确定的信号接收单元接收到的反射信号的第一信号强度；

确定未成功接收到反射信号的相邻信号接收单元接收到的反射信号的第二信号强度；

根据第一信号强度、第二信号强度、信号接收单元与物体之间的距离以及所确定的信号接收单元与相邻信号接收单元之间的间距确定修正量；并使用修正量来修正此初始物理尺寸以此得到最终的物理尺寸。

在该实施方式中，为确定上述的第一信号强度和第二信号强度，可以采用图5或者图6所示的装置的电路方案，即处理器20通过其模数转换端口连接到信号接收单元，或者通过专用的模数转换电路连接信号接收单元，从而获取到反射信号的强度。

值得说明的是，在修正前确定的物体的物理尺寸即初始物理尺寸，是处理器根据信号接收单元接收到的反射信号的强度的变化来确定接收状态的变化，当信号强度低于阈值时确定为未成功接收反射信号；为解释方便，定义未成功接收反射信号的信号接收单元为第二信号接收单元，而与第二信号接收单元相邻的成功接收反射信号的信号接收单元为第一信号接收单元，与第一信号接收单元关联的信号发射单元为第一信号发射单元。根据第一信号接收单元关联的物理尺寸确定初始物理尺寸。

第一信号发射单元发射的信号由于存在散射角度，其反射信号除了大部分被第一信号接收单元接收到，还同时有一小部分被第二信号接收单元接收到，第一信号接收单元接收到的反射信号的信号强度即为第一信号强度，而同时第二信号接收单元接收反射信号强度即为第二信号强度。第一信号强度大于第二信号强度。

再通过根据第一信号强度、第二信号强度、所确定的信号接收单元与物体之间的距离以及所确定的信号接收单元与相邻信号接收单元之间的间距确定修正量。

通过由于发射信号的散射引起的修正量去修正物体的物理尺寸，以此减小误差，提升检测的物理尺寸的准确性。

其中信号接收单元与物体之间的距离可以是预定的，此种情况针对待测物体与信号接收单元之间的距离为固定的情况下。

针对物体和信号接收单元之间的距离不固定的情况，可通过增加距离检测器获得。

当信号接收单元单元与物体的距离不同时，则信号接收单元单元收到的反射信号的信号强度不同，物体距离信号接收单元单元越远，则接收的反射的信号的信号强度越小；而物体距离信号接收单元单元越近，则接收的反射的信号的信号强度越大。通过实验发现信号强度和距离之间为线性关系，因此根据反射信号的强度即可简单的计算出距离。

该距离检测器可以是单独设置的测距的设备，如超声波测距传感器或者红外测距传感器，优选为与信号检测设备相同的设备，如都为红外光信号检测设备。

在一较佳实施方式中，距离检测器为装置的多个信号检测设备中的一个，如为图3中的红外检测设备150，处理器20通过其中的红外接收头接收到的红外反射信号的数字量确定其强度，根据数字量通过简单的线性公式即可确定距离。

优选地，处理器20进一步被配置成根据第一信号强度确定距离。即根据成功接收信号的第一信号强度来确定距离。

进一步地，在本发明的较佳实施方式中，确定修正量包括：

确定第一信号强度与第二信号强度之间的差值；

根据差值与间距确定散射角；以及

根据散射角、间距以及距离确定修正量。

在该实施方式中，以图5所示的电路应用为例，处理器20通过依次控制红外发射头led5至led1发射红外光信号，并通过模数转换端口ad5至ad1依次确定红外反射信号的信号强度，根据这些信号强度的变化识别出未成功接收到红外反射信号，从而根据成功接收到红外反射信号确定第一信号强度；且第一信号强度对应的红外发射头发射的红外光经散射后反射，被与之相邻红外接收头接收到的的红外发射信号的信号强度确定第二信号强度。由于第一信号强度和第二信号强度的大小是由红外光散射引起，根据这两个信号强度的差值和相邻的两个红外接收头之间的间距根据三角函数关系可确定散射角。

图7示意性示出了基于图5的装置在信号散射状态下的应用场景的示意图。从图7中可知，未成功接收红外反射信号的信号接收单元即第二信号接收单元为与红外发射头31配对的红外接收头11(图中未示出)，而与红外接收头11相邻的成功接收红外反射信号的信号接收单元即第一信号接收单元为与红外发射头32配对的红外接收头12(图中未示出)，红外发射头32为第一信号发射单元，处理器20根据红外接收头12关联的高度来确定物体高度h即初始高度。因为这些红外对管的位置都是确定的，所以每个红外接收头的高度是预定的。

由于红外光的散射，此物体高度h不是物体的准确高度，实际高度为图7中的h，因而需要修正。即存在由于红外光散射引起的图7中的修正量δ的高度。红外发射头32发射的红外光由于散射经过物体的反射后，红外反射信号除了大部分被红外接收头12接收到，还有一小部分被红外接收头11同时接收到。

处理器20此时通过红外接收头12和红外接收头11确定两个光强度，因为散射的原因通过红外接收头11确定的光强度要比通过红外接收头12确定的光强度小很多，通过红外接收头12确定的光强度为第一信号强度，通过红外接收头11确定的光强度为第二信号强度。由于信号强度的大小对应了物体与红外接收头的距离，通过第一信号强度与第二信号强度的变化情况对应了散射角度不同，再结合两个红外接收头之间的间距通过三角函数公式即可确定该散射角度。

图8示意性示出了光强度和物体的高度的关系曲线。从图8中容易看出第一信号强度与第二信号强度的差值和间距成三角函数关系，具体可通过公式(1)确定散射角：

其中，θ是散射角，d是间距，s1是第一信号强度，s2是第二信号强度，a是信号强度与距离相关系数，该系数可通过实验确定。在图8中h1和h2分别为红外接收头12和红外接收头11对应的高度，二者的差值即为间距d。

再结合图7，容易得知基于三角函数公式确定修正量δ，具体可根据公式(2)确定：

δ＝d-(l*tanθ)公式(2)

其中，δ是修正量，d是间距，θ是散射角，l是距离。

最后将修正量δ加上高度h得到最终物体的准确高度h，即：h＝h+δ。

通过本发明实施方式，通过确定由于信号的散射引起的修正量δ，根据此修正量δ对物体的高度h进行修正，以此得到物体的准确高度h。

本发明实施方式还提出一种饮水设备，饮水设备包括上述的用于测量物体的物理尺寸的装置。其中该饮水设备包括饮水机、饮料机、咖啡机中的一者。这些设备具有出液口，在出液口的下方可放置盛液容器如水杯，以接水或者饮料等液体。由于本装置信号接收器接收经待测量物体反射的反射信号，因此信号接收器和信号发射器可以设置于同侧，可方便安装于饮水设备的一侧。从而方便针对具有开放式的接水台的饮水设备来安装该装置，如果不采用反射方式而采用对射方式，这信号接收器和信号发射器须设置于水杯的两侧，对饮水设备的接收台的结构有限制，因而限制了饮水设备的应用。而且该装置易采用现有的低成本的信号发射器和信号接收器，如红外信号发射头和红外信号接收头组成装置，其成本低廉，且该装置计算物体的高度的方案的过程简单，而且还可进一步考虑信号的散射引起的计算高度引起的偏差，即进一步确定修正量来对计算出来的高度进行修正，因此对处理器20的要求低，从而整体上使得该装置的成本低廉，且计算出来的物体的高度准确，方便推广应用。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施方式的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。