CN104914441B - 一种光电传感器的自识别输出方法 - Google Patents

一种光电传感器的自识别输出方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光电传感器的自识别输出方法，包括壳体、以及位于壳体内部的电路板；所述电路板上设有发射管、发射管驱动电路、接收管、接收信号处理电路，电源及输出自动识别电路，所述光电传感器外壳左下角通过三根引线与外部相连，分别为电源线、输出线和接地线。本发明可以对负载接线方式进行自动识别，整合了单独NPN电路方案和PNP电路方案，使得产品加简单，适用性增强，大大方便了客户使用。本方案也解决了采用集成芯片识别输出时漏电流大和集成芯片成本高的问题，使得产品成本降低很多。

Description

一种光电传感器的自识别输出方法
技术领域
本发明涉及光电传感器领域，具体地说，特别涉及到一种光电传感器的自识别输出方法。
背景技术
光电传感器是利用光线检测物体的传感器的统称，是由传感器的发射部分发射光信号并经被检测物体的反射、阻隔和吸收，再被接收部分检测并转换为相应电信号来实现控制的装置。
常规光电传感器用作开关感应物体时会输出一个开关控制信号，其电路输出模式通常为NPN输出或PNP输出，抑或NPN+PNP输出。当用户使用的场合需要外接NPN型开关输入时，须安装NPN型输出开关，而其他场合需要外接PNP型开关输入时，须安装PNP型输出开关。这对于用户的使用造成一定麻烦，首先要弄清哪些使用场合需要PNP型，哪些使用场合需要PNP型，其次还要联系传感器厂商订制对应输出模式的光电传感器，这无疑加大了产品开发周期，同时增加了产品成本。
这时，就需要设计一个可以自动识别NPN、PNP输出模式，并且自动切换输出的光电传感器，使其能应用在各个场合。
光电传感器有NPN型输出型(电流流入)和PNP输出型(电流流出)两种，当电流流出的传感器(PNP输出型)在接通时，电流是从电源经传感器的输出端(out)流到负载(load)上，进入负载,然后流到接地端。而电流流入(NPN输出型)的传感器接通时，电流是从电源经负载流到传感器的输出端(out)，然后流到接地端(GND)，最后进入系统的地(GND)。
PNP与NPN型传感器一般有三条引出线，即电源线VCC、GND，OUT信号输出线。
1〉采用传统NPN型输出方案
光电传感器输出晶体管的类型是NPN，当有敏感物体接近时，传感器被触发，输出晶体管导通，电流经负载流入传感器输出级晶体管，然后入地，相当于输出低电平信号。
图1是NPN型输出示意图，负载接在电源+V和输出OUT之间，当检测到物体时，输出NPN型晶体管导通，负载回路接通。
图2为常规NPN输出具体电路设计方案。电路输出通过晶体管T4的导通和截止来控制，输出端NPN接负载到电源正端，有输出时，高电平信号经R25加到三极管T4基极，T4导通，负载接通。三极管T3A和T3B以及R29、R30、R31、C12、C13等组成短路保护电路，当负载电流过大或短路时，电阻R30上压降增大，T4基极电压随之增大，电压经过三极管T3B后对电容C13充电，充电到足以使T3A导通时，T3A导通，T4基极电压被拉低，三极管T4截止，负载断开，电容放电一段时间后，T3A截止，T4又导通，负载接通。这样，通过电容C13的反复充电和放电，实现保护。此方案保护效果受电容C13影响大，易受温度影响其特性，且响应时间长。
2〉采用传统PNP型输出方案
光电传感器输出晶体管的类型是PNP，当有敏感物体接近时，传感器被触发，输出晶体管导通，电流经传感器输出级晶体管流出到负载，然后入地，相当于输出高电平信号。
图3是PNP型输出示意图，负载接在输出OUT和0V之间，当检测到物体时，输出PNP型晶体管导通，负载回路接通。
图4为PNP输出电路，电路输出通过晶体管T6的导通和截止来控制，输出端PNP接负载到地，有输出时，输出信号加到三极管T5基极，T5导通，输出管T6基极电压被拉低，T6导通，负载接通。三极管T7A和T7B以及R36、R37、R38、C17、C18等组成短路保护电路，正常情况下，输出端压降电压较小，三极管T7B发射极电压也较小，当负载电流过大或短路时，电阻R38上压降增大，T7B发射极电压随之增大，电压经过三极管T7B后对电容C18充电，充电到足以使T7A导通时，T7A导通，T6基极电压被拉高，三极管T6截止，负载断开，电容放电一段时间后，T7A截止，T6又导通，负载接通。这样，通过电容C13的反复充电和放电，实现保护。同样，此方案保护效果受电容C18影响大，易受温度影响其特性，且响应时间长。
3〉采用专用集成芯片输出方案
某公司设计了具备NPN和PNP自动识别输出的专用芯片，但其输出截至状态电流(即漏电流)相对非常大，达到0.6mA，这超出了国标里对低压开关设备接近开关漏电流不大于0.5mA的规定，对于使用接近开关的用户来说不符合标准，且价格很贵，成本高昂，大批量使用时毫无市场优势。
现有技术的缺点在于：
1)从功能上说，常规三线输出式光电传感器只有一种固定输出模式，即NPN输出或PNP输出，输出方式死板，功能单一，对于需要频繁切换输入方式的用户来说，很不方便。
2)从电路上说，对于不同输出模式产品，常规光电传感器需分开单独设计不同输出电路，加大了设计和电路验证工作，亦增大了设计风险。集成芯片输出截至状态电流(漏电流)偏大，不符合国家标准，用户使用存在风险。
3)常规光电传感器短路保护设计都由硬件电路搭建而成，元器件受温度影响大，抗干扰性能不佳，短路保护通过对电容充放电实现，响应时间慢，且影响输出管寿命，时间一长可能会出现短路保护异常情况。
4)从成本考虑，常规光电传感器只有一种输出方式，当用户两种输出方式都需要时，无疑需花钱分别购买两种产品，极大的增加了用户成本。对于产品开发方而言，产品设计和工艺流程方面会大大增加产品研发周期，对于原料成本和人力资源成本也是一种极大的浪费。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种光电传感器的自识别输出方法，以解决上述问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种光电传感器的自识别输出方法，包括壳体、以及位于壳体内部的电路板；所述电路板上设有发射管、发射管驱动电路、接收管、接收信号处理电路，电源及输出自动识别电路，所述光电传感器外壳左下角通过三根引线与外部相连，分别为电源线、输出线和接地线。
优选的，所述发射管驱动电路通过单片机引脚PTA7发出调制信号，调制信号通过发射管转变为调制光信号发射出去。接收管采集信号后，使用集成运放进行信号放大，再通过单片机内部比较器对信号强度判断后，再由软件进行选频，滑动滤波数据处理，判断确定检测到物体时，控制输出电路工作。
优选的，所述输出自动识别电路的工作原理如下：
PTA3、PTA4为MCU两输出引脚，其输出电平有“00”、“01”、“10”、“11”四种状态，高电平为“1”，低电平为“0”；当产品上电初始化时，其状态为“00”，输出PNP管和NPN管都不导通，输出为高阻状态，初始化完成后，给定“01”或“10”任一状态，检测到物体时，这两种状态互相切换；即正常情况下，PTA3、PTA4状态总是为“01”或“10”；
当PTA3为高电平、PTA4为低电平时，即为“10”状态时，三极管T5A和T5B导通，T5A导通后，PNP型三极管T4B基极电平被拉低，T4B导通；而T5B导通且PTA4为低电平时，NPN型三极管T4A基极为低电平，T4A不导通；故输出端PULL-PUSH接负载到电源VCC1时，负载处于未接通状态，无输出，相当于PNP型输出常开模式；当输出端PULL-PUSH接负载到地0V时，负载处于接通状态，电流从VCC1经三极管T4B后流过二极管D12到负载，有输出，相当于PNP型常闭模式；
当光电传感器检测到物体，有输出反应时，MCU内部将PTA3切换为低电平、PTA4切换为高电平，即为“01”状态，此时三极管T5A、T5B截止，PNP型三极管T4B基极电平被拉高，T4B截止；而PTA4为高电平，故NPN型三极管T4A基极为高电平，T4A导通；当输出端PULL-PUSH接负载到电源VCC1时，负载切换为接通状态，电流从VCC1经负载后流过二极管D5和三极管T4A到地，输出状态切换；当输出端PULL-PUSH接负载到地0V时，负载切换为未接通状态，输出状态切换；
当正常情况下当PTA3为低电平、PTA4为高电平，有物体感应时，无论输出端负载接VCC1还是接0V，输出状态亦能切换，这样就实现了输出模式的自动识别。
优选的，还具有硬件短路保护功能，其实现方法如下：
三极管T7A、T7B，电阻R11、R12、R15以及电容C19、C20，组成了过载及短路保护电路的硬件电路，当输出接电源、三极管T4A导通，即输出为NPN型输出时，一旦负载电流超过最大负载电流或短路，R20上电压迅速增大，通过R15后给电容C20充电，充电到大于0.7V后三极管T7A导通，T7A集电极被拉为低电平，输入到MCU CMP0_IN3引脚，通过软件处理将输出关闭；当输出接三极管T4B、地导通，即输出为PNP型输出时，一旦负载电流过大或短路，R7上电压迅速增大，电压大于0.7V后三极管T7B导通，T7A基极被拉为高电平，三极管T7A导通，T7A集电极被拉为低电平，输入到MCU CMP0_IN3引脚，通过软件处理将输出关闭。
优选的，还具有软件短路保护功能，其实现方法如下：一旦发生过载或短路情况，就会引起CMP0_IN3引脚电平变化，触发比较器中断标志置1，通过延时抗干扰处理，再次判断后做出反应。若确实发生短路或过载行为，则进行输出保护，输出端置为“00”；若延时后同时比较器中断标志不置1，则认定未发生短路或过载行为，不进行保护。同时，启动定时器，延时一段时间后再打开比较器中断使能，进行判断，若中断标志置1，则重复上述过程，若不置1，则不做反应。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种光电传感器自识别输出模式的技术方案，可以对负载接线方式进行自动识别，整合了单独NPN电路方案和PNP电路方案，使得产品加简单，适用性增强，大大方便了客户使用。本方案也解决了采用集成芯片识别输出时漏电流大和集成芯片成本高的问题，使得产品成本降低很多。
同时，在短路保护设计上，巧妙地使用了硬软件相结合进行保护的方案，区别于常规光电传感器易受环境干扰的纯硬件保护电路设计，性能稳定。本方案软件中断响应短路保护，使得响应时间短，安全可靠。
附图说明
图1为本发明所述的传统NPN型输出示意图。
图2为本发明所述的NPN输出电路。
图3为本发明所述的传统PNP型输出示意图。
图4为本发明所述的PNP输出电路图。
图5为本发明所述的漫反射光电传感器示意图。
图6为本发明所述的发射驱动及接收放大电路图。
图7为本发明所述的输出自动识别电路。
图8为本发明所述的输出接线示意图。
图9为本发明所述的短路保护时输出信号图。
图10为本发明所述的短路保护软件处理流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
漫反射型光电传感器是发射器和接收器置于一体，正常情况下接收器接收不到发射器发出的光信号。当检测物通过时阻隔了光，并把部分光反射回来，接收器收到光信号，输出一个开关控制信号。
产品外壳内部电路板上包含发射管、发射管驱动电路，接收管、接收信号处理电路，电源及输出电路等电路模块。如图5所示，传感器外壳左下角通过三根引线与外部相连，分别为电源线(棕线)、输出线(黑线)和接地线(蓝线)。
常规传感器输出线仅为NPN或PNP一种输出方式，而本方案可以两种输出方式自动识别。
参见图6，发射驱动电路通过单片机引脚PTA7发出调制信号，调制信号通过发射管转变为调制光信号发射出去。接收管采集信号后，使用集成运放进行信号放大，再通过单片机内部比较器对信号强度判断后，再由软件进行选频，滑动滤波等数据处理，判断确定检测到物体时，控制输出电路工作。
如图7所示，C7为高频滤波电容，D3为齐纳管，当电源与地间出现非正常瞬时高压时，D3反向击穿，反相端电压恒定为一较低电压，保护整个输出电路。D4为电源极性保护二极管，其单向导通功能防止电源极性接反烧坏电路。
输出模式识别：PTA3、PTA4为MCU两输出引脚，其输出电平有“00”、“01”、“10”、“11”四种状态，高电平为“1”，低电平为“0”。PTA3、PTA4状态为“11”时，原本输出PNP管和NPN管同时导通，无法正常输出，本电路方案已经做了处理，使其为“11”时能正常输出，但此状态不建议使用。当产品上电初始化时，其状态为“00”，输出PNP管和NPN管都不导通，输出为高阻状态，初始化完成后，给定“01”或“10”任一状态，检测到物体时，这两种状态互相切换。即正常情况下，PTA3、PTA4状态总是为“01”或“10”。
当PTA3为高电平、PTA4为低电平时，即为“10”状态时，三极管T5A和T5B导通，T5A导通后，PNP型三极管T4B基极电平被拉低，T4B导通；而T5B导通且PTA4为低电平时，NPN型三极管T4A基极为低电平，T4A不导通。故输出端PULL-PUSH接负载到电源VCC1时，负载处于未接通状态，无输出，相当于PNP型输出常开模式；当输出端PULL-PUSH接负载到地0V时，负载处于接通状态，电流从VCC1经三极管T4B后流过二极管D12到负载，有输出，相当于PNP型常闭模式。
当光电传感器检测到物体，有输出反应时，MCU内部将PTA3切换为低电平、PTA4切换为高电平，即为“01”状态，此时三极管T5A、T5B截止，PNP型三极管T4B基极电平被拉高，T4B截止；而PTA4为高电平，故NPN型三极管T4A基极为高电平，T4A导通。当输出端PULL-PUSH接负载到电源VCC1时，负载切换为接通状态，电流从VCC1经负载后流过二极管D5和三极管T4A到地，输出状态切换；当输出端PULL-PUSH接负载到地0V时，负载切换为未接通状态，输出状态切换。
同理，当正常情况下当PTA3为低电平、PTA4为高电平，有物体感应时，无论输出端负载接VCC1还是接0V，输出状态亦能切换，这样就实现了输出模式的自动识别。
如图8所示，当输出Q端接上负载到电源正端时，传感器自动识别为NPN输出模式，当输出Q端接上负载到电源负端时，传感器自动识别为PNP输出模式，方便易操作。
短路及过载保护：三极管T7A、T7B，电阻R11、R12、R15以及电容C19、C20，组成了过载及短路保护电路的硬件电路。当输出接电源、三极管T4A导通，即输出为NPN型输出时，一旦负载电流超过最大负载电流或短路，R20上电压迅速增大，通过R15后给电容C20充电，充电到大于0.7V后三极管T7A导通，T7A集电极被拉为低电平，输入到MCU CMP0_IN3引脚，通过软件处理将输出关闭。当输出接三极管T4B、地导通，即输出为PNP型输出时，一旦负载电流过大或短路，R7上电压迅速增大，电压大于0.7V后三极管T7B导通，T7A基极被拉为高电平，三极管T7A导通，T7A集电极被拉为低电平，输入到MCU CMP0_IN3引脚，通过软件处理将输出关闭。这样，通过硬件与软件结合进行过载及短路保护，比起传统的纯硬件保护电路更可靠，更有效，且受环境干扰更小。
保护处理后，PTA3、PTA4状态为“00”，无输出。软件延时一段时间后，打开输出到之前状态，若电流正常，则输出打开，若电流仍然很大，则又关闭输出，继续延时，再继续判断，直至负载恢复正常。
如图9所示，低电平为定时器延时，低电平时输出关断，高电平时判断比较器中断标志，如果确定置1，则又关断输出，如果不置1，则恢复正常输出。如此反复，低电平与高电平时间比值越大，则保护性能越好。
为增强抗干扰性能，避免敏感环境中干扰脉冲影响了保护电平判断信号，特在软件中进行处理，判断信号采集后延时一段时间再进行判断，若CMP0_IN3引脚仍为低电平，则确实出现负载电流过大情况，需做出保护，若延时后此引脚变为高电平，则之前低电平为脉冲干扰所致，不做反应，这样大大增强了其抗干扰能力。
图10为上述短路保护软件处理过程，一旦发生过载或短路情况，就会引起CMP0_IN3引脚电平变化，触发比较器中断标志置1，通过延时抗干扰处理，再次判断后做出反应。若确实发生短路或过载行为，则进行输出保护，输出端置为“00”；若延时后同时比较器中断标志不置1，则认定未发生短路或过载行为，不进行保护。同时，启动定时器，延时一段时间后再打开比较器中断使能，进行判断，若中断标志置1，则重复上述过程，若不置1，则不做反应。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种光电传感器的自识别输出方法，其特征在于：包括壳体、以及位于壳体内部的电路板；所述电路板上设有发射管、发射管驱动电路、接收管、接收信号处理电路，电源及输出自动识别电路，所述光电传感器外壳左下角通过三根引线与外部相连，分别为电源线、输出线和接地线；
所述输出自动识别电路的工作原理如下：
PTA3、PTA4为MCU两输出引脚，其输出电平有“00”、“01”、“10”、“11”四种状态，高电平为“1”，低电平为“0”；当产品上电初始化时，其状态为“00”，输出PNP管和NPN管都不导通，输出为高阻状态，初始化完成后，给定“01”或“10”任一状态，检测到物体时，这两种状态互相切换；即正常情况下，PTA3、PTA4状态总是为“01”或“10”；
当PTA3为高电平、PTA4为低电平时，即为“10”状态时，三极管T5A和T5B导通，T5A导通后，PNP型三极管T4B基极电平被拉低，T4B导通；而T5B导通且PTA4为低电平时，NPN型三极管T4A基极为低电平，T4A不导通；故输出端PULL-PUSH接负载到电源VCC1时，负载处于未接通状态，无输出，相当于PNP型输出常开模式；当输出端PULL-PUSH接负载到地0V时，负载处于接通状态，电流从VCC1经三极管T4B后流过二极管D12到负载，有输出，相当于PNP型常闭模式；
当光电传感器检测到物体，有输出反应时，MCU内部将PTA3切换为低电平、PTA4切换为高电平，即为“01”状态，此时三极管T5A、T5B截止，PNP型三极管T4B基极电平被拉高，T4B截止；而PTA4为高电平，故NPN型三极管T4A基极为高电平，T4A导通；当输出端PULL-PUSH接负载到电源VCC1时，负载切换为接通状态，电流从VCC1经负载后流过二极管D5和三极管T4A到地，输出状态切换；当输出端PULL-PUSH接负载到地0V时，负载切换为未接通状态，输出状态切换；
当正常情况下当PTA3为低电平、PTA4为高电平，有物体感应时，无论输出端负载接VCC1还是接0V，输出状态亦能切换，这样就实现了输出模式的自动识别。
2.根据权利要求1所述的光电传感器的自识别输出方法，其特征在于：所述发射管驱动电路通过单片机引脚PTA7发出调制信号，调制信号通过发射管转变为调制光信号发射出去；接收管采集信号后，使用集成运放进行信号放大，再通过单片机内部比较器对信号强度判断后，再由软件进行选频，滑动滤波数据处理，判断确定检测到物体时，控制输出电路工作。
3.根据权利要求1所述的光电传感器的自识别输出方法，其特征在于：还具有硬件短路保护功能，其实现方法如下：
三极管T7A、T7B，电阻R11、R12、R15以及电容C19、C20，组成了过载及短路保护电路的硬件电路，当输出接电源、三极管T4A导通，即输出为NPN型输出时，一旦负载电流超过最大负载电流或短路，R20上电压迅速增大，通过R15后给电容C20充电，充电到大于0.7V后三极管T7A导通，T7A集电极被拉为低电平，输入到MCU CMP0_IN3引脚，通过软件处理将输出关闭；当输出接三极管T4B、地导通，即输出为PNP型输出时，一旦负载电流过大或短路，R7上电压迅速增大，电压大于0.7V后三极管T7B导通，T7A基极被拉为高电平，三极管T7A导通，T7A集电极被拉为低电平，输入到MCU CMP0_IN3引脚，通过软件处理将输出关闭。
4.根据权利要求1所述的光电传感器的自识别输出方法，其特征在于：还具有软件短路保护功能，其实现方法如下：一旦发生过载或短路情况，就会引起CMP0_IN3引脚电平变化，触发比较器中断标志置1，通过延时抗干扰处理，再次判断后做出反应；若确实发生短路或过载行为，则进行输出保护，输出端置为“00”；若延时后同时比较器中断标志不置1，则认定未发生短路或过载行为，不进行保护；同时，启动定时器，延时一段时间后再打开比较器中断使能，进行判断，若中断标志置1，则重复上述过程，若不置1，则不做反应。
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