凌秀澤 孔逸敏 徐寅林

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210046)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于作業(yè)的復(fù)雜性和重復(fù)性，致使生產(chǎn)車間的機(jī)械化程度越來(lái)越高。機(jī)械化程度的提高一方面減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)量，但另一方面，人機(jī)交互程度的大幅提高，也對(duì)保護(hù)作業(yè)人員的人身安全提出了更高的要求[1]。

擁有保障一線生產(chǎn)工人人身安全的可靠防護(hù)裝置，是現(xiàn)代化機(jī)械生產(chǎn)的一個(gè)重要部分[2]。本文設(shè)計(jì)了一種新型的安全光幕。安全光幕包括大電流間隙脈沖驅(qū)動(dòng)的紅外線發(fā)射、接收和光路的同步識(shí)別三個(gè)部分。系統(tǒng)以紅外線為介質(zhì)，在危險(xiǎn)區(qū)域形成紅外光幕。正常工作時(shí)，接收端可以接收到發(fā)射端發(fā)出的紅外信號(hào)，而當(dāng)有物體進(jìn)入該危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，任一條光路的紅外線被擋住，被擋光路經(jīng)光路同步識(shí)別電路識(shí)別后，安全系統(tǒng)就可以驅(qū)動(dòng)實(shí)施相應(yīng)的安全措施，從而即時(shí)保障作業(yè)人員的安全。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從脈沖信號(hào)的輸入到最后的安全系統(tǒng)的控制，整體上經(jīng)過(guò)了窄脈沖產(chǎn)生調(diào)理電路、大電流驅(qū)動(dòng)的紅外發(fā)射電路、紅外接收電路及光路同步識(shí)別電路等幾個(gè)模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

檢測(cè)區(qū)域之所以選擇紅外線是源于一方面紅外線為不可見(jiàn)光，隱蔽性好;另一方面紅外線的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，穿透能力和抗干擾能力較強(qiáng)，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(duì)電容進(jìn)行充電，就可以得到隨光通量變化而變化的電信號(hào)。無(wú)遮擋物時(shí)，光路通暢無(wú)阻，光感電流最大;有遮擋物通過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)區(qū)域是否存在異物的測(cè)定，進(jìn)而可執(zhí)行下一步的安全措施。

本設(shè)計(jì)先對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，以產(chǎn)生占空比極小的窄脈沖信號(hào)，然后大電流驅(qū)動(dòng)紅外對(duì)管發(fā)射端，接收端收到信號(hào)并處理后，結(jié)合其與發(fā)射端信號(hào)之間的同步關(guān)系，識(shí)別每一條光路的通暢情況，從而決定是否驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的安全措施。

2 電路原理及波形分析

為清晰闡述本設(shè)計(jì)中各模塊的工作原理，以驅(qū)動(dòng)兩路紅外對(duì)管為例，詳細(xì)介紹其硬件電路設(shè)計(jì)的原理，并對(duì)信號(hào)處理過(guò)程中的波形進(jìn)行分析。

2.1 光幕的產(chǎn)生

光幕發(fā)射電路由窄脈沖產(chǎn)生及調(diào)理和大電流驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射兩模塊組成，其電路原理如圖2所示。

圖2 光幕產(chǎn)生原理圖Fig.2 Generating principle of the light curtain

圖2中，U1為十進(jìn)制計(jì)數(shù)/脈沖分頻電路。該電路每過(guò)1個(gè)基準(zhǔn)脈沖周期，輸出端Y0～Y9就把“1”的狀態(tài)傳遞給下一位，而級(jí)聯(lián)輸出Qco每過(guò)10個(gè)基準(zhǔn)脈沖周期輸出1個(gè)進(jìn)位脈沖[6]。脈沖調(diào)理波形如圖3所示。

圖3 脈沖調(diào)理波形分析Fig.3 Waveform analysis of pulse conditioning

在圖2所示的紅外光幕發(fā)射電路中，為了加大紅外線發(fā)射距離，紅外管發(fā)射時(shí)需要很大的電流，而其本身又不能長(zhǎng)時(shí)間工作于大電流狀態(tài)。鑒于此，本文采取大電流、窄脈沖間隙供電的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外管。紅外光幕發(fā)射電路的基準(zhǔn)輸入信號(hào)是周期為200 μs的脈沖信號(hào)(如圖2、圖3中①所示)。該信號(hào)通過(guò)十進(jìn)制計(jì)數(shù)/脈沖分頻芯片U1、U2和與門U3組成的脈沖信號(hào)調(diào)理電路，產(chǎn)生兩路時(shí)分的占空比極小的窄脈沖信號(hào)(如圖2、圖3中⑥、⑦所示)。

脈沖信號(hào)調(diào)理電路的工作原理如下。

周期為200 μs的基準(zhǔn)信號(hào)①?gòu)腢1的時(shí)鐘輸入端(CP)輸入，根據(jù)十進(jìn)制計(jì)數(shù)/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(hào)，波形如圖3中②所示;同時(shí)，其級(jí)聯(lián)進(jìn)位端(Qco)輸出的是脈寬為1 ms、周期為2 ms的脈沖信號(hào)，波形如圖3中③所示。根據(jù)CD4017的工作時(shí)序可知，Y2的每個(gè)正脈沖剛好落在Qco的每個(gè)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(gè)原因，目的是在這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)電路時(shí)延后，不至于互相錯(cuò)開(kāi)。

U1的級(jí)聯(lián)進(jìn)位信號(hào)(Qco)進(jìn)一步接至U2的時(shí)鐘輸入端，作為U2的基準(zhǔn)信號(hào)。U2由此產(chǎn)生了10路脈寬與④相同的、時(shí)分的譯碼輸出信號(hào)Y0～Y9，這10路信號(hào)均為脈寬為2 ms、周期為20 ms的脈沖信號(hào)，在時(shí)間上它們之間也是完全錯(cuò)開(kāi)的。這10個(gè)信號(hào)作為10路紅外光幕的選通信號(hào)。

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

這10路窄脈沖經(jīng)達(dá)林頓集成電路ULN2803，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)(圖2中R1、R2限流電阻僅為幾十歐姆)，實(shí)現(xiàn)了大電流窄脈沖驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管的需要。

2.2 光幕的接收檢測(cè)

紅外光幕接收檢測(cè)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(dāng)反向偏置的紅外接收管L3接收到發(fā)射端的光脈沖后，其電阻值發(fā)生顯著變化，經(jīng)過(guò)一個(gè)以MC3403為核心的微分電路、閾值比較電路，產(chǎn)生了峰值為12 V、脈寬約為200 μs的矩形脈沖[7]。為去除負(fù)半周脈沖，在后續(xù)電路設(shè)計(jì)中加入一單向?qū)ǖ亩O管L4;再經(jīng)過(guò)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(cè)電路的紅外接收管采用了三端集成穩(wěn)壓電路LM7806單獨(dú)供電。這主要是因?yàn)榧t外發(fā)射端在驅(qū)動(dòng)紅外管發(fā)射的瞬間，由于紅外發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)電流較大，系統(tǒng)總的供電VCC也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(tǒng)會(huì)誤判其為一有效輸入信號(hào)，對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理產(chǎn)生較大影響[8]。

實(shí)際電路中，有多少路紅外光幕，就需要對(duì)應(yīng)數(shù)量的接收電路。

2.3 光路的同步識(shí)別

光路同步識(shí)別波形如圖5所示。

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

理論上，當(dāng)任一路紅外管發(fā)射信號(hào)后，在沒(méi)有遮擋物的情況下，同一光路對(duì)應(yīng)的接收端應(yīng)該接收到較強(qiáng)的信號(hào);而當(dāng)有遮擋物時(shí)，接收端就應(yīng)該檢測(cè)不到信號(hào)。但在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在某一光路中即使有遮擋，其接收端仍照樣發(fā)出脈沖信號(hào)，原因是紅外接收管除了接收本身光路的信號(hào)外，還會(huì)接收相鄰光路的信號(hào)，即產(chǎn)生了交叉干擾。即當(dāng)安全光幕中數(shù)對(duì)紅外發(fā)射管同時(shí)工作時(shí)，如果擋住其中一路，該路對(duì)應(yīng)的接收端仍然會(huì)接收到較強(qiáng)的信號(hào)。因?yàn)榧t外管發(fā)射的紅外線并不是理想的約束成一條直線傳播，會(huì)有一定角度的散射偏角，正是這個(gè)偏角導(dǎo)致在擋住其中一路信號(hào)傳輸時(shí)，該路接收端仍然會(huì)接收到相鄰發(fā)射端發(fā)來(lái)的紅外信號(hào)。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(wèn)題，設(shè)計(jì)了光路同步識(shí)別電路。同步信號(hào)取自于紅外發(fā)射端的光路選通信號(hào)。如對(duì)于圖2中L1、L2產(chǎn)生的兩路光路，接收端選其光路選通信號(hào)(圖5中④、⑤所示)作為同步信號(hào)。同步信號(hào)與最后輸出的 LA1、LB1信號(hào)(圖5中⑧、⑨所示)相“與”，起到時(shí)間選擇的作用，即只有在同一光路發(fā)射的同時(shí)在接收端檢測(cè)到的信號(hào)才是真正有用的，其他時(shí)間片段接收到的信號(hào)則需要屏蔽。

3 實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

安全光幕的檢測(cè)部分是通過(guò)紅外對(duì)管的收發(fā)實(shí)現(xiàn)的，因此，紅外對(duì)管的選取就顯得至關(guān)重要。在選定時(shí)，必須保證以下條件：①電性參數(shù)一致;②光學(xué)參數(shù)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(chǎn)中一般均經(jīng)過(guò)激光調(diào)校，可以不用篩選[10]。

在安裝時(shí)，也應(yīng)當(dāng)注意紅外對(duì)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(shí)現(xiàn)

軟件實(shí)現(xiàn)程序流程圖如圖6所示。

圖6 軟件實(shí)現(xiàn)程序流程圖Fig.6 Flowchart of software implementation

結(jié)合接收端的微分、閾值比較部分電路，采用單片機(jī)通過(guò)定時(shí)中斷的方式也可實(shí)現(xiàn)窄脈沖的產(chǎn)生和信號(hào)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(shù)。以兩光路為例，在中斷服務(wù)子程序中，將整個(gè)光幕發(fā)射、接收時(shí)序分為4個(gè)階段，用狀態(tài)變量的4個(gè)狀態(tài)值表示。在s=0～3的4個(gè)狀態(tài)中，狀態(tài)0驅(qū)動(dòng)第一路紅外發(fā)射管，并在狀態(tài)0的末尾時(shí)刻檢測(cè)第一路接收管信號(hào);狀態(tài)2驅(qū)動(dòng)第二路紅外發(fā)射管，并在狀態(tài)2的末尾時(shí)刻檢測(cè)第二路接收管信號(hào)。這樣，利用程序功能，也實(shí)現(xiàn)了窄脈沖的發(fā)射、接收信號(hào)的同步檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)非常方便。

比較軟硬件實(shí)現(xiàn)的安全光幕方法可知，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)安全光幕功能，其程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，電路運(yùn)行時(shí)減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，同時(shí)電路的運(yùn)行速度也更快。因此，兩種方法各有優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合所設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)的情況來(lái)決定選用合適的方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用本文所述原理，可以很方便地通過(guò)普通、廉價(jià)的元器件實(shí)現(xiàn)安全光幕電路。所采用的脈沖調(diào)理電路巧妙地利用了脈沖信號(hào)相互之間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了紅外發(fā)射管的順序交替工作。紅外對(duì)管接收部分對(duì)相應(yīng)信號(hào)也進(jìn)行了很好的檢測(cè)和處理，并結(jié)合光路同步識(shí)別電路解決了光路之間相互干擾的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的精確性。試驗(yàn)表明，采用窄脈沖調(diào)理及同步識(shí)別電路實(shí)現(xiàn)的安全光幕，其實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性都能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需要，為工業(yè)生產(chǎn)的安全提供了可靠的保障。

[1]呂偉.“看不見(jiàn)”的安全防護(hù)[J].新思維，2002(19)：34 －35.

[2]歐姆龍自動(dòng)化(中國(guó))統(tǒng)轄集團(tuán).安全光幕 關(guān)注安全[J].新自動(dòng)化，2006(8)：38 －39.

[3]陳永甫.紅外探測(cè)與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4]強(qiáng)錫富.傳感器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：182 －183.

[5]陳宇，王金鳳，溫欣玲.高精度可調(diào)式紅外檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(2)：55 －57.

[6]陳國(guó)華.CD4017集成電路應(yīng)用200例[M].北京：人民郵電出版社，1996：1 －4.

[7]雷鳴，雷志勇，李翰山，等.天幕靶基級(jí)放大電路的噪聲模型研究[J].西安工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(4)：483 －485.

[8]信強(qiáng)，劉群華，趙新林，等.紅外光幕靶信號(hào)采集與調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(4)：99 －101.

[9]周宇，徐寅林，李杰.ELISA測(cè)定中的定位檢測(cè)及實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示裝置[J].自動(dòng)化儀表，2009，30(5)：73 －75.

[10]熊家新，陳平.紅外光幕系統(tǒng)研究[J].長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，23(3)：9 －12.

[11]曹建軍.紅外光幕在機(jī)床設(shè)備安全防護(hù)中的應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表，2008(9)：72 －74.