基于红外传感的高精度检测系统设计

　　检测控制电路是自动化控制系统的核心技术之一，是其它电路难以替代的，其灵敏度、精确度、使用寿命、安全性、稳定性等因素直接决定了自动化控制过程的优劣。 通过对国棉三厂、洛阳白马集团等企业的生产现场调研，发现现有的部分加工设备对操作者的人身安全或产品的加工质量等的监控存在一定的不足。 为了防止由于不当操作而引起事故的发生，从而保证生产的正常进行和产品质量的提高。 我们设计并开发了该安全保护光电控制系统。 该控制系统可用于机械加工、纺织、食品加工等领域的安全保护装置上，此控制系统有着广泛的应用前景。

　　由于红外线通过云雾等充满悬浮粒子的物体时不易发生散射，有较强的穿透能力和抗干扰能力，且红外线遥控不易引起串干扰，因而被广泛应用于遥控装置。 为了保护人身安全以及保证产品质量的提高，郑州航院机电研究所利用红外传感技术开发设计了高精度检测系统。 该系统可用于对操作者人身安全或产品质量进行监控的设备中。

　　2 信号流程

　　光电信号从发射电路到设备驱动执行部分继电器、开关），是处理单元信号的主通道。 在主通道中，光电信号传送顺序如下图1所示。

　　红外光的产生和提取分别采用脉冲调制和同步解调技术。 脉冲调制光与直流光相比， 一方面增强了抵御环境杂散光和车间内机电干扰的能力，另一方面由于发光管工作于脉冲状态，其寿命相对延长。 当有遮挡物进入检测区时，红外接收管接收到的光强度会发生突变。 因而，凡是变化的光一概算作遮挡信号。 传统的安全保护器容易出现误动作，如当打开或关掉照明灯时，信号处理单元会将其判断为遮挡物信号而误操作。 本系统在设计上采用脉冲调制2同步解调，使红外发光管一段时间发射信号，一段时间关断信号，即发出脉冲形式红外光。 另外，自锁电子开关设计使红外接收管也只在红外发光管发射脉冲信号期间接通工作，大大降低了误动作。 发光和接收在时间上保持同步，因而只有红外发光管发出的光才会被检测出来，外界杂散光，则全被屏除在外。 从而使该控制系统的抗干扰能力大大提高，弥补了传统检测系统的缺陷，这是本系统在设计上的优点。 另外，使用脉冲光源大大降低了红外发光管的功耗，延长了其使用寿命。

　　3 信号发射电路设计

　　系统使用CC4069六反相器芯片三个单元，通过外接两个电阻和一个电容构成。 原理如图2所示。 在IC1B输出正跳变时，电容C20立即使输入为“1”，而输出为“0”。 电阻R60为电容C21对反相器输出提供放电通路。 当电容放电达到了反相器IC1A的转折电压时，立即出现瞬变，这时反相器IC1A输出为“1”，因而IC1B输出为“0”。 由于电阻R60连接在IC1A的输出端，对电容C21反方向充电。 当电容被充到IC1A的转折电压时，再一次出现瞬变，电路发生状态变化、IC1A输出为“0”，IC1B输出为"“0”），于是形成周期性多谐振荡。

　　系统在A4069 IC1支路串入电阻R61,起到稳定振荡频率的作用。电阻R61 的值应比R60大3——10倍。为得到较好的波形，可在输出端接入反相器进行整形。CC4069 六反相器由P沟道、N沟道增强型MOS管以互补方式组成基本单元。所有的输入端都有二极管保护，性能可靠。

　　组成信号放大器的两个三极管V5、NPN型，9013）和V6、PNP型，966）对输入的方波有放大和变频作用。得到的占空比较小的方波驱动红外发光管。红外发光管采用电流驱动，高电平时工作，低电平时截止。这样使红外发光管工作于脉冲状态，大大延长了其使用寿命。

　　为了满足该装置的工作要求， 将两个以上的红外发光管串联起来，以提高输出和作用距离，并可降低所需的电流。红外接收电路中，接收管前端可安装红外滤光片去除可见光，使光敏二极管器件，红外接收管。构成最大受光区。在放大器端增加电滤波，消除低频干扰和高频干扰。电路原理图如图2所示。

　　4 信号接收电路设计

　　当检测区中无遮挡物时，红外发射管发出的脉冲光无遮挡的被接收管接收，在电容C1上产生负极性的光敏电压，此电压与电容C1 两端的电压大小相等方向相反，没有信号经过电容C9、当有遮挡物进入检测区时，接收管接收到的红外光强度发生变化，从而有信号经过电容C9 进入后继信号处理单元。接收管输出的电信号很微弱，因而经过电容C9 的电信号非常小，需经解调后再进行放大。为满足工作要求，可在接收管前端安装红外滤光片去除可见光，使光敏二极管器件，红外接收管。成为最大受光区。电路原理图如图3所示。红外接收管输出的信号向后级电路的传送由电子自锁开关控制。由前级电路得到的方波，经过三极管V3, 进行相应的处理。当输入方波为高电平时，三极管V3, 导通，使得电容C1, 右侧电位高于左侧，从而使前面得到的信号无法向后传送、当输入方波为低电平时，三极管V3, 截止，接收管把接收到的光信号转变为电信号，此时的电信号可以直接向后继电路行进。

　　5 信号处理电路设计

　　系统采用低功耗、高增益、内部有频率补偿的四运放集成芯片：LM324。电路原理图如图4所示，当无遮挡物进入检测区时，电路中只有直流信号，无法通过电容C9、当有遮挡物进入检测区时，接收电路输出突变的电信号，通过电容C9 向后继电路传送，经三极管V4 进行初步放大，然后再送到由：LM324组成的放大电路进行二次放大。

　　由于解调方波与红外发射管的工作在时间上保持同步，且电子开关仅在红外发射管工作时接通，所以仅有来自红外发射管的光信号被接收，杂散光则被挡掉。通过电子开关的方波信号由R20,R21,R23,C6,C7,C8滤波平滑，留下直流分量，于是遮挡物的挡光面积信号被还原出来。遮挡物的挡光面积大，留下的直流分量也大、遮挡物的挡光面积小，留下的直流分量也小。R91、R99、R9, 用来调整脉冲信号的高低电平值，以得到合适的电压来驱动后继电路。

　　当无遮挡物进入检测区时，通过执行部分继电器的常闭触点为控制系统电路提供工作电压，使系统正常工作、当有遮挡物进入检测区时，接收电路输出的电信号经过放大电路处理后送到继电器驱动电路，继电器常开触点闭合，继电器常闭触点断开"使得控制系统信号处理单元的电路断开"这样大大减少了电能的不必要消耗。

　　6 工作状态指示电路设计

　　指示电路用于控制系统工作状态的指示。绿灯D20亮表明控制系统处于正常工作状态，红灯D10则用于指示是否有遮挡物进入检测区。当系统正常工作、无遮挡物进入检测区）时，9脚、反相输入端）电位高于10、同相输入端）脚电位，8脚输出低电平，红灯D10灭；5脚、同相输入端）电位高于6脚、反相输入端）电位，7脚输出高电平，绿灯D20 亮 。当有遮挡物进入检测区时，9脚、反相输入端）电位低于10脚、同相输入端）电位，8脚输出高电平，红灯D10亮，5脚、同相输入端）电位低于6脚、反相输入端）电位，7脚输出低电平，绿灯D20灭。通过调节滑动变阻器RW2的阻值可调节6脚和10脚之间的电压和指示灯的亮度。电路原理图如图5所示。

　　7 总结