CN107782345A - 一种光电传感器多参数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种光电传感器多参数检测方法，主要用于光电接近传感器，通过识别脉冲信号的基频、倍频和幅度阈值等多个特征信息实现可靠性检测。受单片机控制的红外发射电路发射特定频率和占空比为25％的红外脉冲调制光，由红外接收电路转换为电脉冲信号，信号放大电路进行放大并经阈值检测后，送至基频检测电路和倍频检测电路解析并检波出基频脉冲信号和倍频脉冲信号，单片机对满足幅值阈值要求的两路信号进行定时计数并比较，当满足设置的特征要求时才输出接近信号。这种多特征信息的检测方法，有利于提高传感器的可靠性和准确率。

Description

一种光电传感器多参数检测方法

【技术领域】

本发明属于光电传感器技术领域，具体来说是一种光电传感器多参数检测方法。

【背景技术】

光电开关传感器广泛用于自动控制领域，为保证自动控制性能,首先要求传感器具有很高的可靠性。由于传感器的工作环境存在各种干扰，因此，如何提高传感器抗干扰能力和分辨能力,就成为提高传感器的可靠性的关键性问题。

光电式传感器基于光电效应的传感器，在受到光照射后即产生光电效，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。

接近式光电传感器的基本工作原理是：通过光发射管发射一个特定频率的调制光，由接收电路检测光信号并经放大、解调，确定是否有被检物进入有效检测范围，然后输出开关信号，为了提高抗干扰的能力采用调制光作为光源。一般地，发射光的调制频率等于接收电路的中心接收频率。传统的检测方法是通过检测特定频率的调制脉冲光信号，提高光信号的辨识度来提高检测的可靠性，这种方法并不考虑调制光的脉冲占空比因素，只要调制光的频率达到要求即确认检测到了有效信号，有效检测信号的幅值同时满足设置的阈值要求时，即确认检测到有接近物体存在。对于透射式检测，接近物体折断光路，传感器对检测信号是“有”和“无”的判断，这种检测方式可靠性主要依赖于调制光的频率的准确性。而对反射式光电接近传感器，是通过检测物体反射光的“强”和“弱”来判断是否有物体接近，显然，传感器检测的可靠性不仅对信号的频率有较高的要求，还对信号的幅值有较高要求。这种仅依赖检测特定调制光频率和幅度阈值作为特征检测信息的方法，一旦环境干扰符合条件都会引起误检测，传感器的可靠性和准确性并不高，因此，增加特征信息检测的数量，可以提高传感器的准确性和可靠性。

提高光电传感器的可靠性常见的方法有以下几种：采用两个光电传感器输出开关信号的逻辑“与”进行双信息检测，当两个传感器均输出检测到物体的信号时才输出判断物体在监测范围内的结果，这样的设计使应用传感器的系统可靠性都得到了显著的提高，增强了系统运行的稳定性，但采用两个传感器增加了硬件成本，且故障率增大；设计环境光补偿的差分硬件传感器电路可提高抗干扰能力；通过提高调制光频率提高抗干扰能力等措施，这些提高可靠性的方法在光电传感器中很常见。

【发明内容】

本发明针对上述现有技术存在的缺陷或者局限，提出了一种光电传感器多参数检测方法，该方法实现方式简单，可进一步提高传感器稳定性和可靠性，提高抗环境干扰的能力。

本发明将检测的特征信息设置为6个，即光电接收转换后的脉冲信号幅值信息①、脉冲信号的基频信号的频率信息②和幅值信息③、脉冲信号的二倍频信号的频率信息④和幅值信息⑤，当这五个特征信息均满足要求时，才确认检测到的了满足要求的调制光信号。其中信息①为基本要求，满足特征①的信号才被检测电路进一步进行特征信息②、③、④、⑤的识别，满足上述5个特征信息条件信号再送到单片机进行计数，并进行第⑥特征信息的检测，即对基频和2倍频脉冲信号进行计数，并对计算值进行比较，确认基频和2倍频的准确性，二者偏差较大时，则判定存在干扰，进而判定检测是否满足全部特征信息条件。综上所述，即本发明通过识别6个特征信息来提高准确性和可靠性。

为实现本发明的技术方法，所涉及的光电传感器系统包括红外发射电路、红外接收电路、信号放大电路、基频检测电路、倍频检测电路、基频整形电路、倍频整形电路、单片机电路和输出接口电路。其工作过程为：红外发射电路发射调制频率为f、占空比为δ的红外脉冲调制光，接收电路检测到光信号后转换为电脉冲信号，该信号经放大电路进行幅度放大，当脉冲信号幅值满足阈值要求时，脉冲信号被施密特触发器整形，并分别送基频检测电路和倍频检测电路，解析出基频信号和倍频信号，这两个频率特征信息被二极管峰值检波后，如果其幅值能够满足阈值要求，将分别被施密特触发器整形，转换为两路不同频率脉冲信号分别送到单片机的两个定时计数器，由单片机电路比较其计数值是否为规定值范围，且二者为2倍关系，若同时满足上述6个条件，则传感器确认检测信号有效，这时单片机通过接口电路输出开关信号，否则传感器判定为无效信号。

基频检测电路和倍频检测电路采用带通滤波器解析矩形波的谐波分量，其中基频带通滤波器的中心频率为f，倍频带通滤波器的中心频率为2f，占空比为25％的矩形波，经带通滤波器后分别解析出特征信息频率f和2f的正弦波信号，由二极管进行峰值检波，若它们的幅值信息满足施密特触发器的阈值要求，将被整形为频率分别为f和2f的矩形脉冲信号，它们将送到单片机电路进行定时计数并由软件判断计数结果。

单片机利用其软硬件资源完成如下主要功能，其一，由软件系统产生频率f、占空比为25％的矩形波信号，该信号通过其I/O口输出并经施密特触发器整形后送红外发射电路，由T1驱动L1产生红外调制脉冲光。其二，用其内置的T0和T1定时计数器分别对频率为f和频率为2f的两路脉冲信号进行计数，在规定的时间内，分别读取T0、T1的计数值，首先判断T0值是否满足规定值范围，若满足规定值要求再比较T0、T1计数值是否为2倍关系，从而进一步识别被解析的信号是否是干扰信号，若满足检测特征要求则判定为有接收效信号。其三，控制输出接口电路输出开关信号。

为了提高传感器的响应速度，本发明中传感器发射电路发射的调制脉冲光频率f为40KHz，脉冲占空比δ设置为25％。

【附图说明】

附图1是本发明所涉及一种光电传感器多参数检测方法的原理方框图，为了说明实施方式，图1给出了电路的构成部分，包含红外发射电路、红外接收电路、信号放大电路、基频检测电路、倍频检测电路、基频整形电路、倍频整形电路、单片机电路、输出接口电路和状态指示电路，图1中各部分的之间的信号流向和连续用带箭头的线表示。其中，单片机电路的输入信号有两路，分别来自基频整形电路和倍频整形电路；单片机电路的输出信号有四个，包括驱动接口电路的接近输出信号、驱动红外发射电路的40KHz脉冲信号和两路状态指示信号，分别是接近开关输出状态LED指示和红外接收正常状态LED指示。

附图2是本发明所涉及新技术方法原理说明的红外发射电路、红外接收电路和信号放大电路。图2中，红外发射管L1、电阻R2、NPN型三极管T1、电阻R1和6施密特触发器U3的U3A构成红外发射电路，其中R1为T1的基极限流电阻，R2为L1的限流电阻，T1为L1提供驱动，TP、RS为信号端口标号。来自单片机电路的40KHz电脉冲经TP送给U3A整形并反相缓冲输出，由T1驱动L1发射调制频率为40KHz的红外脉冲光；红外接收管L2和电阻R3构成红外接收电路；U1是4运算放大器，U1A、R4、R5构成信号放大电路；L2的信号电压经信号放大电路进行幅度放大，然后经施密特触发器U3B进行整型和缓冲，得到的40KHz的接收脉冲信号，通过RS送给图3所示电路的信号输入端RS。

附图3是本发明所涉及新技术方法原理说明的基频信号检测电路和倍频信号检测电路，包括中心频率为40KHz的基频带通滤波电路、基频幅值检波电路和中心频率为80KHz的2倍频带通滤波电路、2倍频幅值检波电路。图2中，电阻R6、R7、R8，电容C1、C2以及U1B构成基频带通滤波器，其输出信号经过由二极管D1和电阻R12构成的基频幅值检波电路，检波信号经信号连接端F1输出给图4所示电路的信号输入端F1；电阻R9、R10、R11，电容C3、C4以及U1C构成2倍频带通滤波器，其输出信号经过由二极管D2和电阻R13构成的二倍频幅值检波电路，检波信号经信号连接端F2输出给图4所示电路的信号输入端F2。

附图4是本发明所涉及新技术方法原理说明的基频整形电路、倍频整形电路、单片机电路、状态指示电路和输出接口电路。图4中，TP是40KHz脉冲信号输出端口，连接图1所示电路的信号输入端口TP；U3的U3C构成基频整形电路，其输入连接信号输入端口F1，其输出连接U2；U3的U3D构成倍频整形电路，其输入连接信号输入端口F2，其输出连接U2；U2是单片机STC15F104E，具有6个输入输出口，其构成单片机电路；U2是电路核心，包括具有40KHz脉冲信号产生、基频信号计数、倍频信号计数、接近开关信号输出和状态信号驱动等功能；LED发光管L3、L4和电阻R14、R15构成状态指示电路，用来指示接近输出状态和接收正常状态；3线接插件P1、NPN型三极管T2、电阻R16以及U3的U3E构成输出接口电路，其中整个电路的工作电源由P1的两个端口接入，P1的另一个端口输出接近开关信号。

【具体实施方式】

本发明将检测的特征信息设置为6个，即光电接收转换后的脉冲信号幅值信息①、脉冲信号的基频信号的频率信息②和幅值信息③、脉冲信号的二倍频信号的频率信息④和幅值信息⑤，当这五个特征信息均满足要求时，才确认检测到的了符合频率和占空比条件要求的调制光信号，但还不能完全排除干扰信号。其中信息①为基本要求，满足特征①的信号才被检测电路进一步进行特征信息②、③、④、⑤的识别，满足上述5个特征信息条件信号再送到单片机进行计数，并进行第⑥特征信息的检测，即对基频和二倍频脉冲信号进行计数，并对计算值进行比较，确认基频和二倍频的准确性，二者偏差较大时，则判定存在干扰信号，进而判定检测是否满足全部特征信息条件。

为实现本发明的技术方法，所涉及的光电传感器系统包括红外发射电路、红外接收电路、信号放大电路、基频检测电路、倍频检测电路、基频整形电路、倍频整形电路、单片机电路和输出接口电路。其工作过程为：红外发射管L1、电阻R2、NPN型三极管T1、电阻R1和6施密特触发器U3的U3A构成红外发射电路发射调制频率为40KHz、占空比为25％的红外脉冲调制光，红外接收管L2和电阻R3构成红外接收电路检测到光信号后转换为电脉冲信号，其频率为40KHz，占空比为25％，该脉冲信号经由U1A、R4、R5构成信号放大电路进行幅度放大，利用施密特触发器U3B自身的输入电压门限对信号幅度进行阈值检测，当脉冲信号幅值达到施密特触发器U3B阈值要求时，脉冲信号被施密特触发器整形，由U3B输出特征信息①，即达到幅值要求的脉冲信号。

根据傅里叶变换，周期函数可表达为一系列三角函数的叠加，电学中三角函数也称为谐波，即脉冲信号可以表达为谐波的叠加，因此，脉冲信号是由不同频率的谐波构成，其谐波频率成分和幅值是脉冲信号的特征标识信息，检测的特征标识信息越多，对脉冲信号的辨识度越高，传感器的可靠性越高，因谐波级数越高，幅值越小，为使二倍频信号幅值最大，选取脉冲信号的占空比为25％，这时基频的幅值较大，二倍频幅值最大，其它高次谐波幅值相对较小，故选择基频和二倍频参数作为特征检测信息，由基频检测电路和倍频检测电路实现检测。

特征信息①分别送基频检测电路和倍频检测电路，二者的电路形式相同，元件参数不同，其中基频检测包含基频带通滤波器和基频幅值检波电路，倍频检测包含倍频带通滤波器和倍频幅值检波电路。由电阻R6、R7、R8，电容C1、C2以及U1B构成基频带通滤波器对脉冲信号进行基频信号解析，设置基频带通滤波器的中心频率为40KHz，其输出的40KHz基频信号由二极管D1和电阻R12构成的基频幅值检波电路进行幅值检波，输出基频特征信号②，基频特征信号的幅值达到由U3C构成基频整形电路的电压门限要求时，则基频整形电路输出包含基频特征信息②和基频幅度阈值特征信息③的40KHz基频脉冲信号F1。由电阻R9、R10、R11，电容C3、C4以及U1C构成倍频带通滤波器对脉冲信号进行倍频信号解析，设置倍频带通滤波器的中心频率为80KHz，其输出的80KHz倍频信号由二极管D2和电阻R13构成的基频幅值检波电路进行幅值检波，输出80KHZ的倍频特征信号④，倍频特征信号的幅值达到由U3D构成倍频整形电路的电压门限要求时，则倍频整形电路输出包含倍频特征信息④和倍频幅度阈值特征信息⑤的80KHz倍频脉冲信号F2。

满足上述5个特征条件，整形电路才会输出脉冲信号F1和F2，但若干扰信号也满足上述5个特征条件，检测电路并不能排除干扰，因此还需要对脉冲信号F1、F2分别进行定时计数，定时的目的是为了得到脉冲信号在一段时间内的平均值，排除光电传感器的突发干扰；当信号频率确定时，定时计数值应为某一定值，因信号F1和F2的频率是2倍关系，故对二者的计数值也是2倍关系。对F1和F2的计数采用由U2构成的单片机电路完成，来确定特征信息⑥，即定时定值，且倍频计数值是基频计数值的2倍。U2的两个定时计数器T0和T1设置为计数模式，分别通过I/O口对F1和F2进行定时计数，由单片机的软件系统对其计数值进行比较判断是否满足规定值范围，且二者为2倍关系，当满足特征信息⑥时，说明检测信号不是干扰信号。若同时满足上述6个条件，则传感器确认检测信号有效，这时单片机通过由接插件P1、三极管T2、电阻R16以及U3E构成输出接口电路输出开关信号，因单片机在复位期间输出口为高电平，利用U3E的反相作用，防止单片机上电复位期间误动作，T2采用集电极开路输出，便于与应用系统接口。

单片机利用其软硬件资源完成如下主要功能，其一，由软件系统产生频率40KHz、占空比为25％的矩形脉冲波信号，该信号通过其I/O口输出并经施密特触发器U3A整形后送至红外发射电路，由T1驱动L1产生红外调制脉冲光。其二，用其内置的T0和T1定时计数器分别对频率为40KHz的基频脉冲信号和80KHz的倍频率脉冲信号进行计数，在规定的时间内，分别读取T0、T1的计数值，首先判断T0值是否满足规定值范围，若满足规定值要求再比较T0、T1计数值是否为2倍关系，从而进一步识别被解析的信号是否为干扰信号，若满足检测特征要求则判定为有接收有效信号。其三，控制输出接口电路输出开关信号。

本发明所涉及的技术方法不拘泥于为说明原理所述的电路形态，可适于其它改进电路以及电路集成。

Claims (7)

1.本发明提出一种光电传感器多参数检测方法，其特征是通过增加检测特征信息的数量来提高传感器的可靠性，具体的说是通过发射频率为40KHz，占空比为25％的调制光信号，由传感器检测6个特征信息实现可靠性识别。

2.如权利要求1所述的一种光电传感器多参数检测方法，其特征是所述的6个特征信息是指3个阈值特征信息加2个特征频率信息再加1个计数值特征信息。

3.如权利要求2所述的阈值特征信息是指一定工作电压条件下，信号幅度达到施密特触发器U3A、U3B、U3C的触发门限值，信号幅值低于施密特触发器门限值的信号将被阈值滤波。

4.如权利要求2所述的特征频率信息，其特征是输入的脉冲信号被基频检测电路和倍频检测电路解析出特征频率时基频信号和2倍频信号。

5.如权利要求2所述的计数值特征信息，其特征是对基频信号和2倍频信号经检波、整形后的脉冲信号利用单片机的内置定时计数器分别进行定时计数后，由软件比较其计数值是否为规定值，且二者为2倍关系。

6.如权利要求4所述的基频检测电路和倍频检测电路，其特征是由中心频率分别为40KHz和80KHz的两个带通滤波器以及二极管峰值检波电路构成。基频检测电路和倍频检测电路能够将40KHz、占空比为25％的脉冲信号分别解析出40Hz和80KHz的谐波信号，经幅值检波和整形，得到40Hz和80KHz的脉冲信号。

7.如权利要求5所述的单片机，其特征是具有两个独立定时计数器的任意单片机，以8引脚的小型单片机为首选。