包括电容性水检测装置的便携式电子装置及实现方法 【技术领域】
本发明涉及一种便携式电子装置，它包括为特别是含有数据处理单元的电子电路供电的供电装置，电子电路封装在由玻璃封住的壳所形成的组件中，便携式电子装置还包括压力传感器，以及水存在检测装置，它们能产生电信号发送到数据处理单元，检测装置包括至少一个电容传感器，该传感器具体包括电容器，其一个极板由放置在外壳-玻璃组件内部区域上的电极形成，当位于直接与所述电极对面的外壳-玻璃组件外部区域相接触的外部介质发生性质改变，例如所述外部区域与水相接触时，该电容器的电容能够随之改变。
本发明还涉及用于在这种类型地装置中实现水存在检测装置的方法。
背景技术
对这种类型的电子装置的目前技术发展水平已有说明。
1985年12月6日出版的日本实用新型No.60-183896公开了一配备有特别包括压力传感器的测量和显示浸入水中深度的装置的电子装置。由于压力传感器的工作会有高电能消耗，所以在该装置上配有检测是否有水存在的装置以控制向压力传感器的供电，以便当携带该装置的人不在水中时能中断供电。这样，该建议的解决方案在于使用电容传感器，它包括透明电极，放在玻璃的内表面上。当水与玻璃相接触时，该电容传感器会导致出现一个电容，从而引起通过电子处理单元的参考信号的改变。这样，仅当检测到水与该装置的玻璃相接触时，再向压力传感器提供能量。
首先应注意，已知实现了大量装置用欧姆型装置来检测是否有水的存在。这些检测装置，虽然一般具有合理的电能消耗，但有一个显著的缺点，就是它们要求或多或少复杂的结构。具体地说，在装置的外壳上必需有一个小孔，这就会产生水阻问题。为此，本申请人偏向于改进电容型检测系统，该系统不需要在装置的外壳上作一个特定的小孔。
但是，在前述日本实用新型中提出的技术解决方案有不少缺点。特别是，配有一个主开关来控制向压力传感器的供电，它配合检测是否有水存在的装置一起工作。水存在检测装置以某种方式起着次级开关的作用。有主开关存在的直接后果是当装置未浸入水中时就不可能进行压力测量(在某些情况下也是有用的，在以下说明)。此外，用来安排主开关的位置应使水存在检测装置始终由时钟信号供电。于是，既然始终在进行水存在的测试，这些检测装置就会长期浪费能量，而且，该装置切断向压力传感器供电的次级开关功能处于检测装置的下游。
还应注意，所提出的解决方案没有考虑到电容传感器的所述结构具有杂散电容这一事实，这样就必需选择在装置的玻璃上形成较高的电容值以使检测装置能有效的工作。结果，又出现另一缺点，即检测装置由于高电容值而消耗高电能。假定杂散电容会随装置所处的环境条件，特别是随温度而改变，所选的电容值就必需更高。同理，由于是靠检测参考信号的改变来检测水的存在，且由于这些改变的幅度随因有水存在而出现的电容值而不同，所述电容的值必需足以使所改变幅度能被电子处理电路检测到。
另外，杂散电容值在长时期上也会波动，这可以导致检测装置失灵，特别是因为所进行的测量是绝对的而不是相对的。
【发明内容】
本发明的第一目的是克服现有技术的上述缺点，通过提供一种装置，所述装置包括用于检测水存在的电容型装置，并具有低电能消耗而且在各种环境条件下具有增强的长期可靠性。
所以，本发明提供前述类型的便携式电子装置，其特征在于压力传感器在至少两种供电模式下工作，第一种称为表面模式，第二种称为潜水模式，其中检测装置周期性启动，对代表电容器电容的量进行测量，检测装置还包括用于对所述量的至少两次连续测量进行比较，并响应于所述量的两次连续测量之间的变化大于预定值的情况而产生电信号，以启动潜水供电模式的装置。
在优选实施例中，提供了多个电容传感器，它们规则地分布在装置的玻璃上，在检测装置的每个供电周期测量代表每个传感器电容的量，以便限制能够在单个传感器上发生的潜水供电模式的无意触发。检测装置于是配置成：当部分测量的量，最好至少有一半或甚至全部，其变化大于预定值时就触发潜水供电模式。这样一种结构事实上能对玻璃总表面的较大部分进行分析，防止例如携带该装置的人把手指一放在玻璃上就立即启动压力传感器的供电。
或者，可以在玻璃的内表面放置单个电极，该电极基本上覆盖了玻璃的整个表面。然后可以提供一个触发阈值，使其对应于所覆盖玻璃部分的预定值，这样容性电容器的电容是覆盖表面的函数。举例来说，可以任意决定，当测量量的值对应于玻璃总面积的一半被覆盖的情况下，就认为装置已浸入水中。这样，相对上述主要实施例的工作来说，两次连续测量的测量量的变化必需超过比前述预定阈值的值更高的一个新预定值，才可启动潜水供电模式。
最好，按照本发明的水存在检测装置以潜水计算机型装置或结合了潜水专用功能的手表型装置来实现。在后一情况下，理想的是，即使当用户不处于潜水状态时压力测量也周期性进行。在手表中实现的算法计算中可将这些测量考虑在内，以改进确定潜水参数的精确度。
此外，当该装置未浸入水中时可以预见该电容传感器的附加用途，即它们也可完成手动控制元件的功能。
本发明也涉及如前述的水存在检测装置的实现方法。
【附图说明】
参阅以下附图，利用对不同实施例的以下说明，可以更好的理解本发明。
图1为按照本发明的装置优选实施例的横截面示意图；
图2为水存在检测装置实施例的简化电子图；
图3示出按照本发明装置的例示实施例的方框图，此时水存在检测装置包括多个电容传感器。
【具体实施方式】
图1示出电子装置1的截面示意图，以非限制性的手表型装置的形式来表示，它包括有外壳2和玻璃3。电子电路4放置在外壳2内。按照现有技术的一种已知结构，导电电极5，最好是透明的，放置在装置1的玻璃3的内表面6上。导线7将电极5连接到电子电路4。电池或其它电子电源8也放置在外壳2中，由导线9连接到电子电路4的正极端子。
电极5形成电容传感器的一个极板20(在图2中示出)，该电容传感器的另一极板21在装置1浸入水中时由水覆盖的玻璃3形成。水可在装置1的外壳2和玻璃3之间建立电连接(图1中以虚线表示)，如果外壳2连接到电子电路4的负极端子和电池8，其效果就是使玻璃3外表面的电位回到电子电路4的地11。
装置1还包括一个常规类型的压力传感器12，放置在外壳2中，并由导线13连接到电子电路4。
图2示出用在图1的装置1中检测水存在的电子电路22的优选实施例的非限制性实例，它对电容传感器20的启动作出响应产生电控制信号。该检测电路22连接到频率检测器DF，频率检测器DF又连接到数据处理单元(图3中示出)，数据处理单元管理压力传感器12的工作，如下述。
检测电路22包括电容传感器20，因电极5和装置1的外壳2之间的结构而存在杂散电容Cp。该杂散电容在图2中由电容器23代表。电容传感器20和电容器23并联在地11和运算放大器24的反相输入端之间。
检测电路22还包括电阻25、26和27，全部串联在放大器24的输出端和地11之间。放大器24的非反相输入端连接到电阻26和27之间的结上。在这种结构中，放大器24和电阻25、26和27形成一个施密特触发器，它在其输出端28，即电阻25和26之间的结处，提供一个信号，该信号作为放大器24的反相和非反相输入端上电压相对值的函数，具有高逻辑电平或低逻辑电平。头尾相接安装的两个齐纳二极管29和30连接在输出端28和地11之间，以稳定分别定义这些逻辑电平的电压。
检测电路22还包括电阻31，连接在放大器24的输出端28和反相输入端之间。电阻31和电容传感器20以及电容器23形成低通滤波器的一部分，将施密特触发器输出端的电压积分。电容器20和23的极板电位加到放大器24的反相输入端。结果，检测电路22像电压频率转换器一样工作，换句话说，像压控振荡器一样工作。
在图2所示的实施例中，电压频率转换器设计成非稳定多谐振荡器的形式，因为它创建具有两个准稳态并同时自由振荡的周期信号。但也可将它设计成任何周期信号发生器的形式，特别是，如前述的压控振荡器的形式。图2所示的结构特别有利，因为其制造简单且因为不需要高精度的电子元件。
检测电路22的振荡周期T以下述关系式表示：
T＝2.R31.Ctot.In(1+(2.R26)/R27)
式中R31、R26和R27分别为电阻31、26和27的值，Ctot是放大器24的反相输入端和地11之间的总电容。可以看出，检测电路的输出信号的振荡频率与总电容Ctot的倒数成比例，所以电容传感器的电容和杂散电容一起决定了检测电路22的振荡频率的值。
这样，电压频率转换器的振荡频率随玻璃3外表面上有水或无水而变化。当装置1未浸入水中时，电容传感器20的极板21就不存在于图2所示的电路中。此时总电容等于电极5和地11之间的杂散电容Cp。于是检测电路22的输出信号的振荡频率与杂散电容Cp的倒数成比例。
但当装置1浸入水中时，极板21形成，因此电容传感器具有电容Cd，并实际作用在检测电路22上。在这些情况下，总电容Ctot等于电容Cd和Cp之和。
这样，以一种已知方式将检测电路22的输出信号中所需的数据包含在其频率中，只需使用简单设计的数字装置将其恢复即可。举例来说，可以实现在固定工作周期中接通的脉冲计数器。在此固定周期中接收的脉冲数直接代表频率，也就是有无水与玻璃3接触。本领域的技术人员都了解当前的技术发展情况，在实现这些装置或等效装置方面不会有特别的困难。
图3以方框图的形式示出按照本发明的装置1的整套电子电路的优选实施例。在此图中仅示出与本发明有直接关系的那些元件。
图3中示出装置1的玻璃3，其结构是在其内表面上有电容传感器6，图中示出电极5a到5f。当然，以下有关该特定实施例的说明也可使本领域的技术人员实现使用单个传感器的简化解决方案，总的工作原理是相同的。
6个电极5a到5f中的每个电极经由导电路径101连接到常规类型的复用器电路100，复用器电路100的输出端连接到图2所示类型的检测电路22的输入端。检测电路22的输出端连接到数据处理单元102，如前所述，后者也能发送指令来控制检测电路22。
数据处理单元102由装置1的电池8供电。处理单元102连接到压力传感器12，压力传感器12又能产生发送到模数转换器103的模拟类型的电信号，模数转换器103本身连接到处理单元102以向其发送数字数据。处理单元102还包括到显示装置(未示出)的控制电路104的电连接，以及两个存储区105和106。从图3可见每个存储区105和106都示有6个不同的地址，其各自的功能在下面说明。
装置1的电子电路还有一个时基(未示出)，由例如石英谐振器提供，该时基向处理单元102发送时钟信号，可以直接集成在处理单元中，或安排在装置1的电子电路中处理单元之外的其它位置。
在上述结构的基础上，提出以下优选方法供实现按照本发明的检测水存在的装置。
装置1包括至少两种工作模式，最好对应于每种工作模式的特定供电模式和特定显示模式。当装置1未浸入水中时，启动第一种工作模式，可以称其为表面模式，当检测到有水与装置1接触时启动第二种工作模式，可以称其为潜水模式。
在表面工作模式时，举例来说，可以用常规装置来提供测量当前时间的装置及其显示器。而且，如上述，压力传感器12在此工作模式下的供电最好能按预定周期(其值大约为从30分钟到1小时)对周围压力进行周期性测量。压力测量值储存在专用存储器中(未示出)，以后在潜水期间可能要使用。确实，如果按照本发明的装置1制成潜水电脑的形式，特别为了在潜水上升期间计算减压参数，将减压算法储存在电子电路的特定存储器中。该存储器可以直接安排在处理单元102中。在减压算法的计算中，将戴手表的人在潜水之前所经历的周围压力的历史值考虑在内这一事实，能够改进所计算的减压参数的精度。
当然，本领域技术人员可以根据所用电池8的特性、减压参数所需的精度以及所需的工作独立性，来选择压力传感器12在表面模式下的供电周期的值。
此外，仍在时钟信号的基础上，数据处理单元102周期性启动水存在检测装置20、22、100，以确定装置1是否浸入水中。为此，检测电路22通过复用器100连续测量与电极5a到5f相关联的每个电容传感器的电容，形成第一系列测量值S1。测量的量最好按之前在图2所示的方式转换成频率，然后储存在存储区105、106中的第一存储区105中。这样，存储区105的每个地址接收一个有关给定电容传感器20的值。
在检测装置的下一供电周期，通常是2到30秒之后，最好大约10秒以后，检测电路22通过复用器100进行每个电容传感器20的电容的第二系列测量S2。第二系列测量值S2储存在第二存储区106中，第二存储区的每个地址接收一个有关给定电容传感器的值。
储存了第二系列测量值S2之后，数据处理单元102依次读出存储器105和106的内容。在每个读出步骤中，处理单元读出每个存储区105和106中分别与同一电容传感器20相关联的地址中的内容，以便计算在两系列测量值S1和S2之间与所述给定电容传感器20相关联的频率可能经历的变化。于是提出由处理单元102计算与该频率相关联的变化速率，获得一个以后能与其它值(特别是由装置设计者预定的参考值，通常为10％左右)作比较的量。这些操作对所有存储器地址依次进行，以便计算与6个电容传感器中的每一个相关联的频率变化。对各变化速率求出的每个值与参考值进行比较，后者定义触发阈值。
在下一供电周期进行的下一系列频率测量值储存在第一存储区105中，取代第一系列测量值，再将它们与第二系列进行比较，依此类推。
这样，始终在进行每一新系列测量值的储存，新的系列取代了原先储存在相应存储区内的较老系列。结果，在新系列测量值和先前系列测量值之间始终在进行比较，这两个系列在时间上以一个检测装置供电周期来分隔。
提出了一种准则，根据所进行的测量来确认是否有水的存在，作为其关联的频率变化在两次连续系列的测量值之间已超过参考值的电容传感器20的数量或比例的函数。
举例来说，可以提出，当分别与电容传感器20相关联的频率组突破了触发阈值时，就可执行有水与装置1相接触的确认。
但也可提出，按照一个优选变型，当部分，例如至少一半(而不是全部)测量频率已变化而突破触发阈值时，就可确认有水存在。
事实上，当装置浸入水中时，分别与电容传感器相关联的所有的量一般都发生超过预定触发阈值的变化，除非例如用户就在浸入之前进行的系列测量时无意间触碰了一个电容传感器。在这种情况下，储存浸入前的系列测量值时有一个电容传感器具有对应于启动状态的电容值，而储存装置浸入水中后的下一系列测量值时所有电容传感器都具有启动状态。这样，分别与电容传感器相关联的并根据这些系列的测量值计算的变化速率就具有比为所有电容传感器预定的触发阈值高的值，除了在浸入前就已启动的那个传感器。
在这种情况下，有一个电容传感器的测量量没有突破检测阈值，如果保存的有水存在的确认准则对应于同时启动全部电容传感器，那么就不能确认有水存在。定义更为灵活的确认准则，例如当至少一半的电容传感器已启动就确认有水存在，就可使有水存在的检测更为可靠。
此外，如上述，给定电容传感器的电容会因周围条件的改变而随时间缓慢波动，在本发明中使用的比较连续测量值的计算方法可以避免因这些波动而产生的计算误差。
当触发阈值同时被突破，即在同一系列测量中被全部电容传感器20或其一部分(根据所用的确认准则而定)突破，数据处理单元102就改变压力传感器12的供电模式。潜水供电模式被启动，此时由压力传感器12进行的周围压力测量的频率比在表面供电模式下高得多。例如可以提出，周围压力测量的频率大约为每秒一次测量，或甚至每秒多于一次测量。
周围压力测量值通过模数转换器103发送到数据处理单元102，或供处理单元102根据减压算法直接利用，或由连接到处理单元的附加集成电路(未示出)根据减压算法使用。利用这些计算就可按已知方式并用非限制性实例来定义减压参数，对戴手表的人在潜水时很有利。由处理单元102或附加集成电路产生信号，发送到显示装置控制电路104，以具体显示进行中的潜水深度以及各种减压参数。这些减压参数例如可包括在戴该装置的人必需进行的上升时的减压阶段之前留作继续潜水的时间，或在上升时需观察的有关任何减压阶段的数据。
本领域技术人员要在减压算法所进行的各种计算中找到由于压力测量频率高而改进的精度，以及压力传感器的有限能耗之间的折中以维持装置1的合理自主性，不会有特别的困难。
当然也可以实现非常简单的装置1，从根据本发明的水存在检测装置检测到浸水时起，主要或专门向用户指示(准)即时深度。
最好，当装置1处于潜水供电模式时水存在检测装置也以在表面模式时同样的供电频率供电。只要装置1保持在浸入状态，各电容传感器的电容值在两次连续系列测量之间不会有太大的改变。
但，当装置1从水中取出时，每个值都会有新的明显变化，该变化由数据处理单元102经由检测水存在的电路22来检测，测量值依次储存在存储区105和106中。如果检测到突破触发阈值的变化，且该新变化发生的方向与进入水中时所发生的方向相反，根据所采用的验证准则该变化或是所有电容传感器同时发生或发生在部分电容传感器上，就会导致数据处理单元102停止潜水供电模式而启动表面供电模式。
由于检测无水的方法基于上述检测有水的方法同样原理，因此不再详述。
应注意，如果检测水存在的装置仅包括一个电容传感器20，对上述图3的说明依然适用。装置1的电子电路4的构成可以完全相同，或可以简化为仅保留必要的元件。在此情况下，复用器100可以省略，存储器105和106可以简化为每个存储器只包括一个存储器地址。这样简化的电子电路4的工作与上述说明类似，即基于连续比较测量值的原理。
在具有单一电容传感器的另一实施例中，相应电极的表面积可基本等于玻璃内表面的面积。在此情况下，检测有水存在的验证准则可以调节为覆盖玻璃的表面积的某一比例的函数。这样，电容值的变化阈值就可预定义，例如对应于50％覆盖玻璃表面积，由此数据处理单元就认为电子装置与水相接触。
此外应注意，此处说明的存储区数目及其工作模式不是限制性的。相反，可以提供多于两个的存储区数量，这样可以将最新系列的测量值与前几个系列的测量值进行比较，而不是仅与最后一个系列进行比较。可以用四个存储区中的三个交替储存各系列测量值，这并不超出刚刚描述的实施例的范围。
同理，也可提供一种变型方案，例如，有四个存储区像移位寄存器一样工作，即新系列测量值仍然储存在第一存储区，而存储区或行i的内容储存在存储区i+1中。这就是最后存储区(此例中第四个)的内容，即对应于最早的系列测量值，如何被删除而由第三存储区的内容所取代，第三存储区的内容由第二存储区的内容所取代，第二存储区本身的内容由第一存储区的内容所取代。这样，处理单元就可编程为将新系列测量值与前三个系列的测量值同时进行比较，从而增加了检测有水存在的可靠性。
本领域技术人员在实现最适合他们具体情况和工作的存储区数方面不会遇到任何特别的困难，这样就可找到在电子电路中存储区所占用的空间以及检测有水存在的可靠性之间的最佳折衷方案。
实施例的一个有利备选方案，其中检测有水存在的装置包括多个电容传感器20，在于使电容传感器20具有附加的手动控制元件功能。
此时，提出以下的结构和工作，这是一种优选方式但不是限制性的。
该装置包括一个常规类型的手动控制元件107，例如按钮，当它激活时，能启动处理单元102中的特定命令。该装置还包括附加存储区108，其中包括至少每个电容传感器20一个存储器地址，如图3所示有6个存储器地址。
本发明也提出，一种工作模式，或一种功能，与每个电容传感器相关联，并对用户把手指放在电极5a到5f之一上在相应电容传感器上所作的动作做出响应而启动。为此，电子电路可包括单元109，用于控制分别与电容传感器相关联的附加功能。
已知电容传感器控制元件的功能不是始终在运行的，其明显的理由是电能消耗以及防止分别与电容传感器相关联的功能被无意间启动。
所以，数据处理单元102要作成使电容传感器20的手动控制元件功能对控制元件107检测到的用户动作做出响应而启动。
为此，以及为了可靠地检测用户的手指放在一个电容传感器上，数据处理单元102对在控制元件107上检测到的动作做出响应而启动检测装置20、22、100，通过复用器100依次测量与电极5a到5f相关联的每个电容传感器的电容。这样得到的第一系列测量值储存在存储区108中，形成参考系列，这就消除了上述的传感器20的电容值随时间波动的问题。
在预定周期中，最好大约为20秒，连续进行新系列测量，在此期间对检测装置连续供电。同时，与给定电容传感器20相关联的每个测量量，如上述，都与存储区108中相应的参考值进行比较。
如上述，所采用的比较方法最好基于计算参考测量值和各新测量值之间的变化率。当在测量时对一个电容传感器20所计算的变化率超过上述预定阈值时，该超过值由数据处理单元102解释为一个命令，以启动与有关电容传感器相关联的功能。该关联功能或直接由处理单元102启动，或，如果可行，由附加功能控制单元109启动。此外，将调整后的电信号发送到显示装置控制电路104，以显示有关所启动的新功能的数据。能够在本装置中实现的功能是任何已知的常规类型，包括记时器、闹钟、时区改变或甚至温度计、指南针或高度计功能，以上所列不是穷举或者限制。
如上述，在大约20秒的预定周期后，如果在连续系列测量中没有测量量至少一次突破触发阈值，则处理单元102中断向检测装置20、22、100的连续供电。
根据上述特定的工作，最好做到检测装置20、22、100能同时确保它们检测有水与根据本发明的装置接触的功能。
因此，数据处理单元102基于时钟信号继续计算对应于上述定义的向检测装置20、22、100周期性供电的周期的时间间隔。而且，如果必要的话，即特别在检测装置供电周期固定在小于20秒的情况下，处理单元102命令将基本上在每个间隔结束时发生的系列测量值交替储存在存储区105和106中。同样，用两次连续的系列测量值计算每个电容传感器的测量量的变化率，并对所有或部分电容传感器同时突破预定变化阈值做出响应启动潜水固定模式，如前所述。
最好，一旦检测到有水与装置接触，电容传感器20作为手动控制元件的工作就立即中断。而且，如果配有特定的附加功能控制单元109，当检测到有水存在时，该元件也被去激活。
应指出，就选择验证有水存在的准则而言，可以有不同的方案，这些不同方案当然包括在本发明的内容之内。举例来说，如果检测装置包括多个电容传感器，可以在进行变化率的计算之前提供一个附加步骤来处理所进行的频率测量。该附加处理步骤可以用计算对全部电容传感器的一系列测量中所得的测量值的平均值的形式来实现，分别计算两个连续系列测量值的两个平均值，然后通过相应的变化率计算进行相互比较，如前述。
这样，验证有水存在的准则可以相对分别与电容传感器20相关联的平均频率的变化率计算来定义。在这种情况下，显然，装置包括的电容传感器越多，有水存在的检测就越可靠。
或者，基于对每个电容传感器的频率变化率的计算，也可对数据处理单元102加上滤波器功能来完成上述第一实施例。确实，可以提出，如果在给定系列测量中，只有一个电容传感器20因无意触碰或使用其控制元件功能而启动，处理单元就会在储存步骤中在存储区105、106之一中用在前系列测量中储存的频率值取代其关联频率的新值。
在这种情况下，上述基于全部电容传感器同时启动的验证有水存在的准则是适用的，不会有检测水存在的可靠性问题。
当然，本领域技术人员采用等效于上述的其它比较装置也不会有任何困难，也不偏离本发明的范围。
而且，前述说明试图以非限制性的方式来说明特定的实施例，且本发明，例如，不限于电容传感器的所述数目或定位。特别是，可以在装置的玻璃中央放置电容传感器，或甚至在由根据本发明装置的外壳和玻璃构成的组件的适当不同区域放置至少一个或全部电容传感器。