楊小龍，唐露新，張強武

（廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006）

光電開關屬無接觸傳感器，其中采用高效紅外發(fā)光器件的紅外光電開關，由于抗光污染性能良好，在檢測和自動化控制中應用廣泛[1]。光電開關通常作為一種重要檢測元件，其工作穩(wěn)定性在設備運行中起關鍵作用，提高可靠性和延長使用壽命是人們追求的目標[2]。國外著名光電開關生產(chǎn)商主要有倍加福，歐姆龍和圖爾克等，產(chǎn)品性能優(yōu)良；國內(nèi)生產(chǎn)光電開關的廠家有正泰、人民、華通和環(huán)宇等，產(chǎn)品技術相對落后，但價格便宜，性價比較高。

目前先進的紅外光電開關采用調(diào)制光信號，不工作時，發(fā)射管一直處于工作狀態(tài)，嚴重影響使用壽命[3]。像電梯這類間歇工作場合，讓光電開關不工作時處于休眠狀態(tài)，可大大提高紅外發(fā)射管壽命。本文研究的光電開關采用一定頻率的脈沖調(diào)制光發(fā)射與接收，具有很強的抗干擾能力[4]，通過單片機控制休眠狀態(tài)，延長發(fā)射管使用壽命。

1 工作原理

該裝置采用紅外管發(fā)射和接收，當有物體阻擋光線時，輸出信號就會產(chǎn)生變化。光照度、使用壽命是紅外二極管的主要參數(shù)，發(fā)光強度E是指光源在指定方向上的一個很小的立體角元dΩ內(nèi)所包含的光通量dФ，即。在額定工作電流If范圍內(nèi)，發(fā)射管發(fā)光效率為η，正向壓降為u，光源光軸與面元法線夾角為θ，并且光源S到面元dS距離為r，則。那么，光通量全部投射到dS的光照度為：

通常發(fā)光效率η、正向壓降u是定值，則由式（1）可知，光照度E正比于額定工作電流If，而與檢測距離r2成反比。

紅外發(fā)射管使用壽命公式為：

其中μ為發(fā)射管壽命，α、β表示應力壽命加速常數(shù)，I表示平均工作電流。α和β都是常數(shù)，μ與I呈線性關系，減小平均工作電流能延長管子壽命，但是會影響工作距離和抗干擾能力。如果使用占空比較小的調(diào)制光驅(qū)動，既能保證較高的發(fā)射功率以保持有效工作距離，又能減小平均電流。調(diào)制光的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，電流平均值越小，效率越高[5]。

開關電路原理框圖見圖1，方波發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的調(diào)制信號，使紅外發(fā)射模塊產(chǎn)生調(diào)制光，當沒有物體阻擋紅外光接收時，紅外接收電路接收紅外信號，該信號經(jīng)過動態(tài)交流耦合得到低電平控制信號，控制觸發(fā)轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動輸出電路；當有物體阻擋紅外管接收時，控制信號為高電平，并輸出高電平信號反饋到控制輸入端，這樣具有很強的抗干擾能力。單片機控制正常工作與休眠狀態(tài)，當開關不工作時，處于休眠狀態(tài)。

2 硬件電路設計

硬件電路部分主要包括由單片機控制的紅外發(fā)射與接收模塊、方波產(chǎn)生模塊、控制輸出模塊和穩(wěn)壓電源模塊等。

2.1 紅外發(fā)射與接收模塊

紅外發(fā)射管有正常工作與休眠兩種狀態(tài)，采用單片機控制，該功能較簡單，但要求接口較少、抗干擾能力很強，現(xiàn)選用工業(yè)級8位單片機 HT48R01C。紅外發(fā)射電路如圖2所示，R3，D7和D8構(gòu)成與門電路，由單片機PA2口控制發(fā)射管驅(qū)動信號的開啟與關閉。紅外接收模塊接收紅外調(diào)制信號并進行處理，還能夠過濾各種干擾信號，如圖3所示。D8是紅外接收管，接收到的紅外信號首先通過二階RC濾波，濾除頻率與調(diào)制頻率相差較遠的各種干擾信號，然后對接收信號進行放大和整形后分為兩路，一路驅(qū)動控制輸出模塊完成狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，一路連接至單片機PA0口完成是否休眠控制。

圖2 紅外發(fā)射模塊Fig.2 Infrared light emitting module

圖3 紅外接收模塊Fig.3 Infrared light receiver module

2.2 控制輸出模塊

控制輸出模塊根據(jù)紅外接收模塊的信號改變輸出狀態(tài)，要求狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠?？紤]到調(diào)制信號是低占空比的方波，在集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器HEF4538的匹配下可以穩(wěn)定可靠工作，電路圖見圖4，輸出為雙NPN型。

圖4 控制輸出模塊Fig.4 Control output module

圖5 所示為HEF4538的工作波形圖，TR-端連接調(diào)制信號，TR+端連接紅外接收模塊的輸出，Q為輸出端。當沒有接收到紅外信號時TR+為高電平，Q處于穩(wěn)態(tài)；當接收到紅外信號時參見圖6，TR-為低占空比的方波，TR+為高占空比的方波，在TR+為低電平時TR-出現(xiàn)了下降沿，觸發(fā)Q進入暫穩(wěn)態(tài)，持續(xù)時間tw=0.7*R1*C1，可重復觸發(fā)。調(diào)制信號周期為T，選取R1和C1的值令tw處于T和 2T之間，則能保證 Q端根據(jù)有無接收到紅外信號穩(wěn)定地分別處于穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)開關功能。在無接收到紅外信號時假如有干擾出現(xiàn)在接收端引起TR+端的波形抖動，由于調(diào)制信號占空比很小，TR+又保持在高電平，因此除非干擾信號的頻率與調(diào)制信號頻率較接近并且干擾的持續(xù)時間較長，在TR-端為高電平時TR+端恰好產(chǎn)生了穩(wěn)定的下降沿或者TR+的低電平干擾出現(xiàn)時間恰好包含TR-端的上升沿，否則輸出端不受任何影響，可見達到了很強的抗干擾性。

圖5 HEF4538工作波形圖Fig.5 HEF4538 work waveforms

圖6 無紅外信號時TR+和TR-端波形圖Fig.6 TR+and TR-side waveform when no infrared signal

2.3 穩(wěn)壓電源模塊

電源模塊見圖7，具有多重保護和寬范圍穩(wěn)壓特性。瞬變電壓抑制二極管 D3提供過壓保護，由 Q1、D4、D5、R5等組成輸入電壓鉗位電路，能限制二級穩(wěn)壓電路7805的輸入電壓不超出20 V，減小芯片發(fā)熱、增加電源轉(zhuǎn)換效率，從而保證電源電路具有較寬的輸入電壓范圍，經(jīng)高低壓實驗證明為10 V至30 V。

3 軟件程序設計

軟件控制光電開關在工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)之間的切換和相應狀態(tài)的各種響應。首先對引腳及變量進行定義，PA2引腳控制發(fā)射管，PA0引腳檢測紅外接收模塊信號。程序流程圖如圖8所示，初始化完成后對引腳PA0進行檢測計時，當檢測到?jīng)]有信號（即紅外光被擋住）且持續(xù)時間超過2 mins時，進入休眠狀態(tài)：PA2輸出低電平100 ms然后高電平4 ms，如此循環(huán)，同時判斷PA0有無信號，當檢測到有信號（即沒有阻擋）時，退出休眠狀態(tài)，返回初始化狀態(tài)。低電平的持續(xù)時間有要求，太短休眠效果不明顯，太長以致超過某次紅外信號的持續(xù)時間則可能發(fā)生漏檢。

圖7 穩(wěn)壓電源模塊Fig.7 Power supply module

圖8 軟件流程圖Fig.8 Software flow chart

4 試 驗

主要包含計數(shù)可靠性檢驗、抗干擾試驗，依照國家標準JB/T 6475-1992進行高低溫及濕度、振動、絕緣耐壓和薄鹽霧腐蝕等性能試驗，結(jié)果符合要求，并驗證光電開關能在正常工作和休眠狀態(tài)之間良好轉(zhuǎn)換。

4.1 計數(shù)試驗

采用PLC控制步進電機驅(qū)動的計數(shù)系統(tǒng)檢驗光電開關的動態(tài)響應速度和是否計數(shù)可靠。以電機最高轉(zhuǎn)速為15圈每秒（每圈計數(shù)2次）做了數(shù)萬次試驗，結(jié)果測得全部計數(shù)值和理論值完全一致，表明光電開關具有高可靠性。目前超高速電梯的運行速度已經(jīng)達到16 m/s，以樓層最低高度為2 m來計算，要求光電開關的動態(tài)響應時間低于125 ms，在計數(shù)試驗中已經(jīng)證明其動態(tài)響應時間可以達到33 ms，完全滿足各類電梯應用要求[6]。

4.2 抗干擾試驗

干擾信號一般來自電網(wǎng)和空中干擾，電網(wǎng)干擾在電梯中主要是變頻器產(chǎn)生的50 Hz高次諧波；空中干擾主要來自對講機和手機信號，通常是100 MHz以上的高頻干擾。采用信號發(fā)生器產(chǎn)生各種模擬干擾信號，加到光電開關紅外接收管的兩端，檢驗光電開關的工作情況，部分測試結(jié)果歸納如表1所示。

表1 光電開關抗干擾試驗歸納表Tab.1 Photoelectric switch anti-jamming test table of induction

通過大量試驗總結(jié)和分析，可得出光電開關的幾點結(jié)論：

1）抗干擾性主要與干擾信號的頻率和幅值有關，與干擾信號波形無關。

2）能有效抵抗距離調(diào)制頻率（約3.6 kHz）較遠的干擾信號，但是對調(diào)制頻率附近的干擾信號敏感。

3）對不連續(xù)的瞬時脈沖信號不敏感。

4）在干擾信號頻率處于10 kHz以上、500 Hz以下時，能抵抗較自身調(diào)制信號幅值（約400 mV）近20倍的干擾。

5 結(jié) 論

通過試驗，紅外光電開關電路的高效寬輸入電壓穩(wěn)壓電源輸入電壓范圍達10～30 V。單片機控制實現(xiàn)休眠可大大延長壽命，如住宅電梯每天有12小時屬于空閑狀態(tài)，理論上能延長使用壽命50%。采用調(diào)制光驅(qū)動，接收端二階濾波電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相結(jié)合，實現(xiàn)了高抗干擾性和較好的穩(wěn)定性。各類試驗證明光電開關的可靠性良好，對頻率范圍在10 kHz以上、500 Hz以下的干擾具有很好的抵抗性。考慮到電梯等各類控制系統(tǒng)干擾信號絕大多數(shù)屬于此頻段，開關響應速度很快，完全可以滿足使用要求。另外，光電開關的調(diào)制信號頻率可以在600 Hz至20 kHz之間選擇，具體應用中可根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境中存在的干擾情況進行選定，以達到最優(yōu)的抗干擾性能。

[1]邱邵運，李述香，劉發(fā)明，等．基于紅外接收模組的智能光電開關設計[J].技術與應用，2009（1）：29-32.QIU Shao-yun，LI Shu-xiang，LIU Fa-ming，et al.Infrared receiver module based on intelligent optical switch design[J].Technology and Application，2009（1）:29-32.

[2]吳金宏，張連中，劉麗娜．光電開關及其應用[J].國外電子元器件，2001（5）：14-18.WU Jin-hong，ZHANG Lian-zhong，LIU Lina.Photoelectric switch and its application[J].Foreign Electronic Components，2001（5）:14-18.

[3]靳鵬．探討光電開關的原理與應用 [J].中國科技博覽，2011（6）：307.JIN Peng.Explore the principlesand applicationsof photoelectric switch[J].Chinese Science and Technology Expo，2011（6）:307.

[4]戴明遠．抗干擾性能優(yōu)良的電梯光電平層開關[J]．電氣自動化，2003，25（6）：71-72.DAI Ming-yuan.An excellent anti-interference performance elevator photoelectric leveling switch[J].Electric Automation，2003，25（6）:71-72.

[5]衛(wèi)金法．一種新型電梯平層開關[J]．中國電梯，2002，13（7）：50-51.WEI Jin-fa.A new elevator leveling switch[J].China Elevator，2002，13（7）:50-51.

[6]GAO Ai-hua，LIU Wei-guo，WU Wei.Measurement of response time of photoelectric detector based on optical switch[J].Engineering Village，2008:88-90.