一種基于雙MCU的安全光幕設(shè)計(jì)方案

紅外發(fā)射管的發(fā)光效率η和正向壓降u通常是定值，由式(1)可知，當(dāng)光照度一定時(shí)，適當(dāng)減小檢測(cè)距離可以大大減小光電流。工作電流及工作電壓對(duì)發(fā)射功率起決定性作用，發(fā)射功率用輻照度表示。

其紅外輻射功率與正向工作電流成正比，電流在接近最大額定值時(shí)，器件的溫度上升，使光發(fā)射功率下降，且電流過(guò)大易影響其使用壽命。電流過(guò)小，將影響其輻射功率的發(fā)揮。當(dāng)電壓越過(guò)正向閾值電壓(本系統(tǒng)所使用的約1 V左右)時(shí)，電流開(kāi)始流動(dòng)，且其工作電流對(duì)工作電壓十分敏感，因此要求工作電壓準(zhǔn)確、穩(wěn)定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。

調(diào)制光的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，需設(shè)置紅外發(fā)射管工作于脈沖狀態(tài)，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡量提高峰值電流Ip，使其發(fā)射距離更遠(yuǎn)。

因紅外發(fā)射管的使用壽命與其工作電流相互制約，可對(duì)其工作脈沖占空比進(jìn)行合理調(diào)整，使得其峰值電流盡量高，而平均電流比較低，符合其正常工作的功耗要求，最終經(jīng)過(guò)調(diào)試該紅外發(fā)射管工作在1：4的占空比時(shí)，實(shí)驗(yàn)效果最佳。

常用的紅外發(fā)射管的發(fā)射角度有30°、45°、60°，角度越小，紅外線越集中，發(fā)射距離越遠(yuǎn)?？紤]以上因素，本系統(tǒng)選用的紅外發(fā)射管，其峰值電流可達(dá)到1 A，發(fā)射角度為34°，能很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

紅外發(fā)射模塊中AVR單片機(jī)ATmega32通過(guò)PA6端口控制移位寄存器HCF4094的時(shí)鐘信號(hào)，從而控制紅外發(fā)射管導(dǎo)通的時(shí)間;PA7端口控制其數(shù)據(jù)信號(hào)，用來(lái)選通紅外發(fā)射管;PD4端口是單片機(jī)的輸出比較匹配控制口，它連接移位寄存器的使能端OE;PD4端口使用定時(shí)器PWM模式，控制紅外發(fā)射管的調(diào)制頻率。單片機(jī)控制3個(gè)端口配合，使每支管子依次發(fā)光，控制時(shí)問(wèn)為1 ms，實(shí)際發(fā)光時(shí)間為250μs，并在PD4給出的50 kHz調(diào)制頻率下，有序地進(jìn)行發(fā)射工作。

2.2 紅外接收模塊

紅外接收模塊主要任務(wù)是負(fù)責(zé)紅外發(fā)射模塊與接收模塊之間的通信、紅外接收信號(hào)的處理及安全輸出口的控制。

紅外接收管是一種光感電流源，光感電流與光通量成正比，光感電流對(duì)電容進(jìn)行充電，通過(guò)光通量變化獲得相應(yīng)的電信號(hào)。無(wú)遮擋物時(shí)，光路通暢無(wú)阻，接收紅外光，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。越有效遮光，輸出電位越高。利用該原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)區(qū)域是否存在異物進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而可執(zhí)行下一步的安全措施。

紅外接收模塊兩片MCU之間通過(guò)I/O口連接單穩(wěn)態(tài)雙觸發(fā)器4538，定期發(fā)送窄脈沖給觸發(fā)器，其輸出口Q端則應(yīng)在響應(yīng)時(shí)段發(fā)送高電平，若有故障則輸出低電平，信號(hào)輸入另一個(gè)單片機(jī)I/O口中，進(jìn)行電平檢測(cè)。兩單片機(jī)通過(guò)定時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)相互檢測(cè)。光幕的報(bào)警輸入信

號(hào)要求系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)，所以報(bào)警輸入與單片機(jī)的外部中斷引腳相連。整個(gè)光幕系統(tǒng)由紅外接收模塊MCU1主控，負(fù)責(zé)紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊的信號(hào)同步，并控制MCU2的工作。接收模塊系統(tǒng)框圖如圖3所示。

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在紅外發(fā)射模塊及紅外接收模塊正常通信后，紅外發(fā)射模塊開(kāi)始順序發(fā)射紅外光，同時(shí)紅外接收模塊控制的相應(yīng)的紅外接收管開(kāi)始接收紅外信號(hào)，進(jìn)行一對(duì)一的紅外光發(fā)射接收。紅外接收器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、整形后分別輸入給MCU1、MCU2，通過(guò)接收端的中斷服務(wù)程序處理，進(jìn)行同步操作，檢測(cè)其窄脈沖與預(yù)設(shè)的是否相同。判斷光幕是否被遮擋，信號(hào)是否有效，然后進(jìn)行有效的安全輸出控制。

2.3 安全輸出模塊

光幕的輸出電路形式一般分為繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出3種。

晶體管輸出電路相比于繼電器輸出響應(yīng)快(一般在0.2 ms以下)，適用于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合;晶體管無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，比繼電器輸出電路壽命長(zhǎng)。

晶體管輸出電路的應(yīng)用局限是外接電源只能是直接電源，且其輸出驅(qū)動(dòng)能力要小于繼電器輸出，允許負(fù)載電壓一般為DC 5～30 V，允許負(fù)載電流為0.2～0.5 A。

晶體管輸出電路的形式主要有兩種：NPN和PNP型集電極開(kāi)路輸出。NPN型控制輸出在系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，信號(hào)輸出線OUT和電源線VCC連接，公共端COM只能接外接電源的負(fù)極，相當(dāng)于輸出高電平，OSSD常態(tài)是高電平。當(dāng)光幕檢測(cè)到物體遮擋時(shí)，控制安全輸出動(dòng)作，OSSD變?yōu)榈碗娖?相反地，PNP型控制輸出在系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)信號(hào)輸出線OUT和0 V線連接，而PNP型的COM端只能接外接電源的正極，相當(dāng)于輸出低電平，OSSD常態(tài)是低電平，當(dāng)光幕檢測(cè)到物體遮擋時(shí)，OSSD安全輸出動(dòng)作，變?yōu)楦唠娖健?/p>

本光幕系統(tǒng)的OSSD安全輸出模塊采用的是晶體管NPN集電極開(kāi)路輸出電路。系統(tǒng)中采用雙路OSSD輸出，保證輸入信號(hào)的正確性，且兩個(gè)MCU都對(duì)安全輸出口進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)，通過(guò)電路具體設(shè)置，單片機(jī)定時(shí)檢測(cè)控制該口的電平狀態(tài)，從而判斷是否為正常工作狀態(tài)。確保系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài)，保證輸出信號(hào)的可靠性，從而對(duì)使用者提供有效的保護(hù)。