窄脈沖調理及光路同步識別的安全光幕電路

凌秀澤 孔逸敏 徐寅林

(南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210046)

0 引言

在工業生產過程中，由于作業的復雜性和重復性，致使生產車間的機械化程度越來越高。機械化程度的提高一方面減輕了作業人員的勞動量，但另一方面，人機交互程度的大幅提高，也對保護作業人員的人身安全提出了更高的要求[1]。

擁有保障一線生產工人人身安全的可靠防護裝置，是現代化機械生產的一個重要部分[2]。本文設計了一種新型的安全光幕。安全光幕包括大電流間隙脈沖驅動的紅外線發射、接收和光路的同步識別三個部分。系統以紅外線為介質，在危險區域形成紅外光幕。正常工作時，接收端可以接收到發射端發出的紅外信號，而當有物體進入該危險區域時，任一條光路的紅外線被擋住，被擋光路經光路同步識別電路識別后，安全系統就可以驅動實施相應的安全措施，從而即時保障作業人員的安全。

1 系統結構

從脈沖信號的輸入到最后的安全系統的控制，整體上經過了窄脈沖產生調理電路、大電流驅動的紅外發射電路、紅外接收電路及光路同步識別電路等幾個模塊。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Structure of the system

檢測區域之所以選擇紅外線是源于一方面紅外線為不可見光，隱蔽性好;另一方面紅外線的波長較長，穿透能力和抗干擾能力較強，且不易散射、不易引起串干擾[3]。紅外接收管是一種光感電流源，光感電流隨光通量的增大而增大，光感電流對電容進行充電，就可以得到隨光通量變化而變化的電信號。無遮擋物時，光路通暢無阻，光感電流最大;有遮擋物通過檢測區域時，光路部分被遮擋，輸出電位升高。遮光面積越大，輸出電位就越高[4－5]。利用該原理可以實現對檢測區域是否存在異物的測定，進而可執行下一步的安全措施。

本設計先對脈沖信號進行處理，以產生占空比極小的窄脈沖信號，然后大電流驅動紅外對管發射端，接收端收到信號并處理后，結合其與發射端信號之間的同步關系，識別每一條光路的通暢情況，從而決定是否驅動相應的安全措施。

2 電路原理及波形分析

為清晰闡述本設計中各模塊的工作原理，以驅動兩路紅外對管為例，詳細介紹其硬件電路設計的原理，并對信號處理過程中的波形進行分析。

2.1 光幕的產生

光幕發射電路由窄脈沖產生及調理和大電流驅動紅外發射兩模塊組成，其電路原理如圖2所示。

圖2 光幕產生原理圖Fig.2 Generating principle of the light curtain

圖2中，U1為十進制計數/脈沖分頻電路。該電路每過1個基準脈沖周期，輸出端Y0～Y9就把“1”的狀態傳遞給下一位，而級聯輸出Qco每過10個基準脈沖周期輸出1個進位脈沖[6]。脈沖調理波形如圖3所示。

圖3 脈沖調理波形分析Fig.3 Waveform analysis of pulse conditioning

在圖2所示的紅外光幕發射電路中，為了加大紅外線發射距離，紅外管發射時需要很大的電流，而其本身又不能長時間工作于大電流狀態。鑒于此，本文采取大電流、窄脈沖間隙供電的方式來驅動紅外管。紅外光幕發射電路的基準輸入信號是周期為200 μs的脈沖信號(如圖2、圖3中①所示)。該信號通過十進制計數/脈沖分頻芯片U1、U2和與門U3組成的脈沖信號調理電路，產生兩路時分的占空比極小的窄脈沖信號(如圖2、圖3中⑥、⑦所示)。

脈沖信號調理電路的工作原理如下。

周期為200 μs的基準信號①從U1的時鐘輸入端(CP)輸入，根據十進制計數/脈沖分頻電路CD4017的工作原理，其Y2譯碼端輸出的是脈寬為200 μs、周期為2 ms的窄脈沖信號，波形如圖3中②所示;同時，其級聯進位端(Qco)輸出的是脈寬為1 ms、周期為2 ms的脈沖信號，波形如圖3中③所示。根據CD4017的工作時序可知，Y2的每個正脈沖剛好落在Qco的每個脈沖正半周的中間位置。選擇Y2與Qco的組合輸出也就是基于這個原因，目的是在這兩個信號經過后續電路時延后，不至于互相錯開。

U1的級聯進位信號(Qco)進一步接至U2的時鐘輸入端，作為U2的基準信號。U2由此產生了10路脈寬與④相同的、時分的譯碼輸出信號Y0～Y9，這10路信號均為脈寬為2 ms、周期為20 ms的脈沖信號，在時間上它們之間也是完全錯開的。這10個信號作為10路紅外光幕的選通信號。

為了簡化說明問題，圖3僅畫出U2的Y1、Y6兩路信號(曲線④、⑤)。把每一路的選通信號與U1的Y2(信號②)相“與”，就得到調理后的窄脈沖信號(圖3中⑥、⑦)。以此類推，新得到的10路窄脈沖信號在時間上同樣是均勻時分的。

這10路窄脈沖經達林頓集成電路ULN2803，增強了驅動(圖2中R1、R2限流電阻僅為幾十歐姆)，實現了大電流窄脈沖驅動紅外發射管的需要。

2.2 光幕的接收檢測

紅外光幕接收檢測模塊的硬件電路如圖4所示。

圖4 光幕接收及脈沖處理電路Fig.4 Screens receiver and pulse processing circuits

當反向偏置的紅外接收管L3接收到發射端的光脈沖后，其電阻值發生顯著變化，經過一個以MC3403為核心的微分電路、閾值比較電路，產生了峰值為12 V、脈寬約為200 μs的矩形脈沖[7]。為去除負半周脈沖，在后續電路設計中加入一單向導通的二極管L4;再經過一分壓電路，最終生成脈寬為200 μs、電壓為5 V的正向矩形窄脈沖LA1，作為該光路通暢的指示。紅外光幕接收檢測電路的紅外接收管采用了三端集成穩壓電路LM7806單獨供電。這主要是因為紅外發射端在驅動紅外管發射的瞬間，由于紅外發射管的驅動電流較大，系統總的供電VCC也會產生一個小的尖峰脈沖，而如果紅外接收管偏置電阻直接接至VCC，則系統會誤判其為一有效輸入信號，對后續的信號處理產生較大影響[8]。

實際電路中，有多少路紅外光幕，就需要對應數量的接收電路。

2.3 光路的同步識別

光路同步識別波形如圖5所示。

圖5 光路同步識別波形分析Fig.5 Waveform analysis of optical path synchronous identification

理論上，當任一路紅外管發射信號后，在沒有遮擋物的情況下，同一光路對應的接收端應該接收到較強的信號;而當有遮擋物時，接收端就應該檢測不到信號。但在實際調試過程中發現，在某一光路中即使有遮擋，其接收端仍照樣發出脈沖信號，原因是紅外接收管除了接收本身光路的信號外，還會接收相鄰光路的信號，即產生了交叉干擾。即當安全光幕中數對紅外發射管同時工作時，如果擋住其中一路，該路對應的接收端仍然會接收到較強的信號。因為紅外管發射的紅外線并不是理想的約束成一條直線傳播，會有一定角度的散射偏角，正是這個偏角導致在擋住其中一路信號傳輸時，該路接收端仍然會接收到相鄰發射端發來的紅外信號。這顯然不利于接收端的判斷，存在安全隱患[9]。

為解決交叉干擾問題，設計了光路同步識別電路。同步信號取自于紅外發射端的光路選通信號。如對于圖2中L1、L2產生的兩路光路，接收端選其光路選通信號(圖5中④、⑤所示)作為同步信號。同步信號與最后輸出的 LA1、LB1信號(圖5中⑧、⑨所示)相“與”，起到時間選擇的作用，即只有在同一光路發射的同時在接收端檢測到的信號才是真正有用的，其他時間片段接收到的信號則需要屏蔽。

3 實際應用中的注意事項

安全光幕的檢測部分是通過紅外對管的收發實現的，因此，紅外對管的選取就顯得至關重要。在選定時，必須保證以下條件：①電性參數一致;②光學參數一致;③管芯的幾何尺寸、形狀、位置一致。此外，紅外接收組件在生產中一般均經過激光調校，可以不用篩選[10]。

在安裝時，也應當注意紅外對管的位置、方向和軸距的選取，以保證其確定的光路，并可減小干擾，保證電路正常工作[10－11]。

4 邏輯功能的軟件實現

軟件實現程序流程圖如圖6所示。

圖6 軟件實現程序流程圖Fig.6 Flowchart of software implementation

結合接收端的微分、閾值比較部分電路，采用單片機通過定時中斷的方式也可實現窄脈沖的產生和信號的同步處理，且其組合較為靈活，還可以大幅增加光幕的路數。以兩光路為例，在中斷服務子程序中，將整個光幕發射、接收時序分為4個階段，用狀態變量的4個狀態值表示。在s=0～3的4個狀態中，狀態0驅動第一路紅外發射管，并在狀態0的末尾時刻檢測第一路接收管信號;狀態2驅動第二路紅外發射管，并在狀態2的末尾時刻檢測第二路接收管信號。這樣，利用程序功能，也實現了窄脈沖的發射、接收信號的同步檢測，實現非常方便。

比較軟硬件實現的安全光幕方法可知，通過硬件設計的方式實現安全光幕功能，其程序設計簡單，電路運行時減輕了CPU的負擔，同時電路的運行速度也更快。因此，兩種方法各有優勢，在實際應用中，應當結合所設計的整個系統的情況來決定選用合適的方案。

5 結束語

應用本文所述原理，可以很方便地通過普通、廉價的元器件實現安全光幕電路。所采用的脈沖調理電路巧妙地利用了脈沖信號相互之間的邏輯關系，實現了紅外發射管的順序交替工作。紅外對管接收部分對相應信號也進行了很好的檢測和處理，并結合光路同步識別電路解決了光路之間相互干擾的問題，提高了系統的精確性。試驗表明，采用窄脈沖調理及同步識別電路實現的安全光幕，其實時性、準確性都能夠達到實際應用的需要，為工業生產的安全提供了可靠的保障。

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