CN110312342B - 光电传感器的投光调整系统 - Google Patents

光电传感器的投光调整系统 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供一种光电传感器的投光调整系统，本发明包括MCU电路、整流和滤波电路、功率放大驱动电路、脉宽调制电路、光电转换电路和发光二极管，通过使用MCU电路内置的PWM端口，输出周期固定、占空比可调的PWM波来控制投光调整电路，从而实现投光量的调整。本发明的实现方法简单，可自动调节投光量，能够减少MCU资源，降低系统的成本和功耗。

Description

光电传感器的投光调整系统
技术领域
本发明涉及一种光电传感器的投光调整系统。
背景技术
在光电开关的一些应用中，需要进行投光量的调整来完成最适合的检测，现有的光电开关的投光量调节方法：
(1)利用模拟电位器代替偏置电阻，通过调节电位器的大小改变偏置电阻的大小，从而调整投光量。该方法受光电开关的结构限制，很难调节电位器。
(2)利用MCU的DA端输出模拟信号，并进行功率放大，形成能够驱动投光三极管的投光控制电压。但该方法提供的控制电压是恒定的，不能根据实际需求自动调整控制电压的大小。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种光电传感器的投光调整系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种光电传感器的投光调整系统，该光电传感器的投光调整系统包括：
MCU电路，所述MCU电路通过其PWM端口输出PWM波信号，所述MCU电路的定时器产生投光时序信号Vm；
与MCU电路连接的整流和滤波电路，所述整流和滤波电路将所述MCU电路输出的PWM波信号进行整流和滤波处理，获得与所述PWM波信号的占空比的电压幅值相等的直流调整电压信号Vr；
与所述整流滤波电路连接的功率放大驱动电路，所述功率放大驱动电路对所述直流信号Vr进行功率放大得到放大后的直流信号Vd；
分别与MCU电路和功率放大驱动电路连接的脉宽调制电路，所述脉宽调制电路通过由所述MCU电路产生的投光时序信号Vm对所述放大后的信号Vd进行等脉宽调制，以产生等幅值和等脉宽的投光调整信号Vs；
分别与所述脉宽调制电路和发光二极管连接的光电转换电路，所述光电转换电路，所述光电转换电路将所述投光控制电信号Vs通过发光二极管转换为光信号输出；
与所述光电转换电路连接的发光二极管。
进一步的，上述系统中，所述整流和滤波电路包括整流电路和滤波电路，其中，
所述整流电路包括二极管D1和电阻R1，其中，所述电阻R1的一端分别与所述述MCU电路的PWM端口和所述二极管D1的正极连接，所述电阻R1的另一端与所述二极管D1的负极连接；
所述滤波电路包括电容C1、电容C2和电阻R2，其中，所述电容C1的一端接地GND，所述电容C1的另一端分别与所述二极管D1的负极和所述电阻R1的公共端、所述电阻R2的一端连接，所述电容C2的一端接地GND，所述电容C2的另一端与所述电阻R2的另一端连接。
进一步的，上述系统中，所述PWM波信号经过由二极管D1和电阻R1组成的整流电路，获得与所述PWM波信号的占空比相对应的幅值信号，所述幅值信号经过由电容C1、电容C2和电阻R2组成的滤波电路，滤除杂波信号，获得较为平稳的直流调整电压信号Vr。
进一步的，上述系统中，所述功率放大驱动电路包括功率放大驱动器A1、由电阻R3和电容C3组成的滤波电路，其中，
所述功率放大驱动器A1的正极输入端与所述电容C2和电阻R2的公共端连接，所述功率放大驱动器A1的负极输入端与所述功率放大驱动器A1的输出端连接，所述功率放大驱动器A1还设置有接地GND端；
所述电阻R3的一端与所述功率放大驱动器A1的负极输入端和输出端的公共端连接，所述电阻R3的另一端与所述电容C3的一端连接，所述电容C3的另一端接地GND。
进一步的，上述系统中，所述直流调整电压信号Vr经过功率放大驱动器A1进行功率放大、并经过由电阻R3和电容C3组成的滤波电路进行进一步的滤波、获得调光量所需幅值的放大后的直流信号Vd。
进一步的，上述系统中，所述脉宽调制电路包括三极管TR1、三极管TR2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8，其中，
所述三极管TR1的发射极与所述电阻R3和电容C3的公共端连接，所述三极管TR1的基极与所述电阻R6的一端连接，所述电阻R5的一端与所述三极管TR1的发射极连接，所述电阻R5的另一端与所述三极管TR1的基极连接，所述三极管TR1的集电极与所述光电转换电路连接；
所述三极管TR2的集电极与所述电阻R6的另一端连接，所述三极管TR2的发射极接地GND，所述电阻R7的一端与所述三极管TR2的基极连接，所述电阻R7的另一端与所述三极管TR2的发射极连接，所述电阻R8的一端与所述三极管TR2的基极连接，所述电阻R8的另一端与所述MCU电路的定时器连接。
进一步的，上述系统中，所述放大后的调整信号Vd和由MCU的定时器产生的稳定投光时序脉冲信号Vm同时经过包括三极管TR1、三极管TR2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8的脉宽调制电路进行脉宽调制，以得到等幅值和等脉宽的投光调整信号Vs。
进一步的，上述系统中，所述光电转换电路包括三极管TR3和电阻R4，其中，
所述三极管TR3的基极与所述三极管TR1的集电极连接，所述三极管TR3的发射极与所述电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端接地GND，所述三极管TR3的集电极与发光二极管LED_A的负极连接，所述发光二极管LED_A的另一端与电源连接。
进一步的，上述系统中，包括三极管TR3和电阻R4的光电转换电路将所述投光控制电信号Vs通过发光二极管LED_A转换为光信号输出。
与现有技术相比，本发明包括MCU电路、整流和滤波电路、功率放大驱动电路、脉宽调制电路、光电转换电路和发光二极管，通过使用MCU电路内置的PWM端口，输出周期固定、占空比可调的PWM波来控制投光调整电路，从而实现投光量的调整。本发明的实现方法简单，可自动调节投光量，能够减少MCU资源，降低系统的成本和功耗。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出本发明一实施例的光电投光调节原理图；
图2示出本发明一实施例的PWM控制的基本原理示意图；
图3示出本发明一实施例的用PWM波代替正弦半波示意图；
图4示出本发明一实施例的MCU产生PWM波原理图；
图5示出本发明一实施例的调整后的PWM占空比和输出电压对应关系示意图；
图6示出本发明一实施例的光电传感器的投光调整系统的系统框图；
图7示出本发明一实施例的光电传感器的投光调整系统的电路图；
图8示出本发明一实施例的调节投光量电压原理示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图6所示，本发明提供一种光电传感器的投光调整系统，所述系统包括：
MCU(Microcontroller Unit)电路，所述MCU电路通过其PWM端口输出PWM波信号，所述MCU电路的定时器产生投光时序信号Vm；
在此，所述PWM波信号可以具有预设周期、但占空比可调、幅值均为Vp，可以通过MCU电路根据需求输出具有预设周期、预设占空比、幅值为Vp的PWM信号；
与MCU电路连接的整流和滤波电路，所述整流和滤波电路将所述MCU电路输出的PWM波信号进行整流和滤波处理，获得与所述PWM波信号的占空比的电压幅值相等的直流调整电压信号Vr；
与所述整流滤波电路连接的功率放大驱动电路，所述功率放大驱动电路对所述直流信号Vr进行功率放大得到放大后的直流信号Vd；
在此，由于经过整流滤波电路后的PWM波信号功率会减弱、因此需要将其进行功率放大；
分别与MCU电路和功率放大驱动电路连接的脉宽调制电路，所述脉宽调制电路通过由所述MCU电路产生的投光时序信号Vm对所述放大后的信号Vd进行等脉宽调制，以产生等幅值和等脉宽的投光调整信号Vs；
分别与所述脉宽调制电路和发光二极管连接的光电转换电路(V/I转换电路)，所述光电转换电路，所述光电转换电路将所述投光控制电信号Vs通过发光二极管转换为光信号输出；
与所述光电转换电路连接的发光二极管。
在此，光电投光调节原理如图1和7所示，其工作原理如下：
Vs是投光控制电压；R11和R12为偏置分压电阻，通过分压获得光电开关需要的投光电压；R13是投光电阻；T1为投光放大三级管，T1和R13、LED构成电压-电流转换。
因为三极管的集电极电流约等于发射极电流，因此只需通过计算R3上的发射级电压就可以计算出集电极电流即发射管电流IL。一旦Vs、R1、R2、R3一定，就可以通过下面公式获得投光电流，即光电开关的投光量。
Vb＝V5+R1/(R1+R2) (1)
IL＝(Vb-Vbe)/R3 (2)
由公式可知，通过改变R1和R2的分压比或者改变投光控制电压Vs，都可以获得期望的投光电流。具体实现方法：
(1)用电位器代替偏置分压电阻，改变R1和R2的分压，进一步改变投光电流。
(2)利用MCU的DA端产生一个模拟输出信号，再经过功率放大电路放大到所需的投光控制电压Vs，从而实现直接改变投光控制电压Vs。
可通过调整投光控制电压Vs的大小，来调节投光量。本发明通过利用PWM波信号，调整投光控制电压Vs的大小。
PWM(Pulse Width Modulation)控制——脉冲宽度调制技术，是指通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
PWM控制的基本原理理论基础是冲量(窄脉冲的面积)相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其环节的输出响应波形基本相同，PWM控制的基本原理示意图如图2所示。
假设用一系列等幅、不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，可将正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等，即用矩形脉冲代替等幅、不等宽、中点重合、面积(冲量)相等、宽度按正弦规律变化，用PWM波代替正弦半波示意图如图3所示。
PWM波可由逻辑电路产生，也可由MCU实现，目前有许多MCU内置了PWM控制功能。MCU产生PWM波原理如图4所示，假设MCU定时器工作在向上计数的PWM模式，且当计数器的值CNT小于寄存器设定的值CCRx时，则输出0；当CNT>＝CCRx时，则输出1。由此可得，当CNT值小于CCRx的时候，定时器相应的IO端输出低电平，当CNT值大于等于CCRx的时候，IO输出高电平，当CNT达到设置的最大值ARR时，重新归零，然后重新向上计数，依次循环。因此只需改变CCRx的值，就可以改变PWM输出的占空比，从而调整调光量所需的电压Vs的大小；并且改变ARR的值，就可以改变PWM输出的频率。
其中，调整后的PWM占空比和输出电压对应关系示意图如图5所示。
本发明包括MCU电路、整流和滤波电路、功率放大驱动电路、脉宽调制电路、光电转换电路和发光二极管，通过使用MCU电路内置的PWM端口，输出周期固定、占空比可调的PWM波来控制投光调整电路，从而实现投光量的调整。本发明的实现方法简单，可自动调节投光量，能够减少MCU资源，降低系统的成本和功耗。
如图7所示，本发明的光电传感器的投光调整系统一实施例中，所述整流和滤波电路包括整流电路和滤波电路，其中，
所述整流电路包括二极管D1和电阻R1，其中，所述电阻R1的一端分别与所述述MCU电路的PWM端口和所述二极管D1的正极连接，所述电阻R1的另一端与所述二极管D1的负极连接；
所述滤波电路包括电容C1、电容C2和电阻R2，其中，所述电容C1的一端接地GND，所述电容C1的另一端分别与所述二极管D1的负极和所述电阻R1的公共端、所述电阻R2的一端连接，所述电容C2的一端接地GND，所述电容C2的另一端与所述电阻R2的另一端连接。
如图7所示，本发明的光电传感器的投光调整系统一实施例中，所述PWM波信号经过由二极管D1和电阻R1组成的整流电路，获得与所述PWM波信号的占空比相对应的幅值信号，所述幅值信号经过由电容C1、电容C2和电阻R2组成的滤波电路，滤除杂波信号，获得较为平稳的直流调整电压信号Vr。
如图7所示，本发明的光电传感器的投光调整系统一实施例中，所述功率放大驱动电路包括功率放大驱动器A1、由电阻R3和电容C3组成的滤波电路，其中，
所述功率放大驱动器A1的正极输入端与所述电容C2和电阻R2的公共端连接，所述功率放大驱动器A1的负极输入端与所述功率放大驱动器A1的输出端连接，所述功率放大驱动器A1还设置有接地GND端；
所述电阻R3的一端与所述功率放大驱动器A1的负极输入端和输出端的公共端连接，所述电阻R3的另一端与所述电容C3的一端连接，所述电容C3的另一端接地GND。
如图7所示，本发明的光电传感器的投光调整系统一实施例中，经过所述整流和滤波电路后的信号功率会被削减，因此直流调整电压信号Vr经过功率放大驱动器A1进行功率放大、并经过由电阻R3和电容C3组成的滤波电路进行进一步的滤波、获得调光量所需幅值的放大后的直流信号Vd。
如图7所示，本发明的光电传感器的投光调整系统一实施例中，所述脉宽调制电路包括三极管TR1、三极管TR2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8，其中，
所述三极管TR1的发射极与所述电阻R3和电容C3的公共端连接，所述三极管TR1的基极与所述电阻R6的一端连接，所述电阻R5的一端与所述三极管TR1的发射极连接，所述电阻R5的另一端与所述三极管TR1的基极连接，所述三极管TR1的集电极与所述光电转换电路连接；
所述三极管TR2的集电极与所述电阻R6的另一端连接，所述三极管TR2的发射极接地GND，所述电阻R7的一端与所述三极管TR2的基极连接，所述电阻R7的另一端与所述三极管TR2的发射极连接，所述电阻R8的一端与所述三极管TR2的基极连接，所述电阻R8的另一端与所述MCU电路的定时器连接。
如图7所示，本发明的光电传感器的投光调整系统一实施例中，所述放大后的直流信号Vd和由MCU的定时器产生的稳定投光时序脉冲信号Vm同时经过包括三极管TR1、三极管TR2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8的脉宽调制电路进行脉宽调制，以得到等幅值和等脉宽的投光调整信号Vs。
如图7所示，本发明的光电传感器的投光调整系统一实施例中，所述光电转换电路包括三极管TR3和电阻R4，其中，
所述三极管TR3的基极与所述三极管TR1的集电极连接，所述三极管TR3的发射极与所述电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端接地GND，所述三极管TR3的集电极与发光二极管LED_A的负极连接，所述发光二极管LED_A的另一端与电源连接。
如图7所示，本发明的光电传感器的投光调整系统一实施例中，包括三极管TR3和电阻R4的光电转换电路将所述投光调整信号Vs通过发光二极管LED_A转换为光信号输出。
如图7所示，本发明PWM控制的投光调整系统的电路工作原理如下：
(1)首先通过MCU电路根据需求输出具有预设周期、预设占空比、幅值为Vp的PWM信号；
(2)然后所述PWM波信号经过由二极管D1和电阻R1组成的整流电路，获得与PWM波信号的占空比相对应的幅值信号，所述幅值信号经过由电容C1、C2和电阻R2组成的滤波电路，滤除杂波信号，获得较为平稳的直流调整电压信号Vr；
(3)由于经过所述整流和滤波电路后的信号功率会被削减，因此直流调整电压信号Vr经过功率放大驱动器A1进行功率放大、并经过由电阻R3和电容C3组成的滤波电路进行进一步的滤波、获得调光量所需幅值的放大后的直流信号Vd；
(4)接着将所述放大后的直流信号Vd和由MCU的定时器产生的稳定投光时序脉冲信号Vm同时经过由三极管TR1和三极管TR2组成的脉宽调制电路进行脉宽调制，以得到等幅值和等脉宽的投光调整信号Vs；
(5)最后通过由三极管TR3和电阻R4组成的光电转换电路将所述投光调整信号Vs通过发光二极管LED_A转换为光信号输出。
其中，调节投光量电压原理示意图如图8所示，假设MCU电路输出的PWM峰值电压为10V，通过MCU电路调整PWM波信号的占空比为50％，则输出的有效电压为5V。如果投光量所需的最小电压为2.5V，则可通过MCU电路调整PWM波信号的占空比为25％；如果投光量所需的最大电压为7.5V，则可通过MCU电路调整PWM波信号的占空比为75％，将调整好的占空比PWM波信号再经过整流和滤波电路后就可得到相应的投光量直流电压。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。电路权利要求中陈述的多个单元或电路也可以由一个单元或电路通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (9)

1.一种光电传感器的投光调整系统，其中，该系统包括：
MCU电路，所述MCU电路通过其PWM端口输出PWM波信号，所述MCU电路的定时器产生投光时序信号Vm；
与MCU电路连接的整流和滤波电路，所述整流和滤波电路将所述MCU电路输出的PWM波信号进行整流和滤波处理，获得与所述PWM波信号的占空比的电压幅值相等的直流调整电压信号Vr；
与所述整流和滤波电路连接的功率放大驱动电路，所述功率放大驱动电路对所述直流调整电压信号Vr进行功率放大得到放大后的直流信号Vd；
分别与MCU电路和功率放大驱动电路连接的脉宽调制电路，所述脉宽调制电路通过由所述MCU电路产生的投光时序信号Vm对所述放大后的信号Vd进行等脉宽调制，以产生等幅值和等脉宽的投光调整信号Vs；
分别与所述脉宽调制电路和发光二极管连接的光电转换电路，所述光电转换电路将所述投光调整信号Vs通过发光二极管转换为光信号输出；
与所述光电转换电路连接的发光二极管。
2.根据权利要求1所述的光电传感器的投光调整系统，其中，所述整流和滤波电路包括整流电路和滤波电路，其中，
所述整流电路包括二极管D1和电阻R1，其中，所述电阻R1的一端分别与所述述MCU电路的PWM端口和所述二极管D1的正极连接，所述电阻R1的另一端与所述二极管D1的负极连接；
所述滤波电路包括电容C1、电容C2和电阻R2，其中，所述电容C1的一端接地GND，所述电容C1的另一端分别与所述二极管D1的负极和所述电阻R1的公共端、所述电阻R2的一端连接，所述电容C2的一端接地GND，所述电容C2的另一端与所述电阻R2的另一端连接。
3.根据权利要求2所述的光电传感器的投光调整系统，其中，所述PWM波信号经过由二极管D1和电阻R1组成的整流电路，获得与所述PWM波信号的占空比相对应的幅值信号，所述幅值信号经过由电容C1、电容C2和电阻R2组成的滤波电路，滤除杂波信号，获得平稳的直流调整电压信号Vr。
4.根据权利要求2所述的光电传感器的投光调整系统，其中，所述功率放大驱动电路包括功率放大驱动器A1、由电阻R3和电容C3组成的滤波电路，其中，
所述功率放大驱动器A1的正极输入端与所述电容C2和电阻R2的公共端连接，所述功率放大驱动器A1的负极输入端与所述功率放大驱动器A1的输出端连接，所述功率放大驱动器A1还设置有接地GND端；
所述电阻R3的一端与所述功率放大驱动器A1的负极输入端和输出端的公共端连接，所述电阻R3的另一端与所述电容C3的一端连接，所述电容C3的另一端接地GND。
5.根据权利要求4所述的光电传感器的投光调整系统，其中，所述直流调整电压信号Vr经过功率放大驱动器A1进行功率放大、并经过由电阻R3和电容C3组成的滤波电路进行进一步的滤波、获得调光量所需幅值的放大后的直流信号Vd。
6.根据权利要求5所述的光电传感器的投光调整系统，其中，所述脉宽调制电路包括三极管TR1、三极管TR2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8，其中，
所述三极管TR1的发射极与所述电阻R3和电容C3的公共端连接，所述三极管TR1的基极与所述电阻R6的一端连接，所述电阻R5的一端与所述三极管TR1的发射极连接，所述电阻R5的另一端与所述三极管TR1的基极连接，所述三极管TR1的集电极与所述光电转换电路连接；
所述三极管TR2的集电极与所述电阻R6的另一端连接，所述三极管TR2的发射极接地GND，所述电阻R7的一端与所述三极管TR2的基极连接，所述电阻R7的另一端与所述三极管TR2的发射极连接，所述电阻R8的一端与所述三极管TR2的基极连接，所述电阻R8的另一端与所述MCU电路的定时器连接。
7.根据权利要求6所述的光电传感器的投光调整系统，其中，所述放大后的直流信号Vd和由MCU的定时器产生的稳定投光时序脉冲信号Vm同时经过包括三极管TR1、三极管TR2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8的脉宽调制电路进行脉宽调制，以得到等幅值和等脉宽的投光调整信号Vs。
8.根据权利要求6所述的光电传感器的投光调整系统，其中，所述光电转换电路包括三极管TR3和电阻R4，其中，
所述三极管TR3的基极与所述三极管TR1的集电极连接，所述三极管TR3的发射极与所述电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端接地GND，所述三极管TR3的集电极与发光二极管LED_A的负极连接，所述发光二极管LED_A的另一端与电源连接。
9.根据权利要求8所述的光电传感器的投光调整系统，其中，包括三极管TR3和电阻R4的光电转换电路将所述投光调整信号Vs通过发光二极管LED_A转换为光信号输出。
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