一种节能可靠红外光电开关的研究

杨小龙，唐露新，张强武

（广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006）

光电开关属无接触传感器，其中采用高效红外发光器件的红外光电开关，由于抗光污染性能良好，在检测和自动化控制中应用广泛[1]。光电开关通常作为一种重要检测元件，其工作稳定性在设备运行中起关键作用，提高可靠性和延长使用寿命是人们追求的目标[2]。国外著名光电开关生产商主要有倍加福，欧姆龙和图尔克等，产品性能优良；国内生产光电开关的厂家有正泰、人民、华通和环宇等，产品技术相对落后，但价格便宜，性价比较高。

目前先进的红外光电开关采用调制光信号，不工作时，发射管一直处于工作状态，严重影响使用寿命[3]。像电梯这类间歇工作场合，让光电开关不工作时处于休眠状态，可大大提高红外发射管寿命。本文研究的光电开关采用一定频率的脉冲调制光发射与接收，具有很强的抗干扰能力[4]，通过单片机控制休眠状态，延长发射管使用寿命。

1 工作原理

该装置采用红外管发射和接收，当有物体阻挡光线时，输出信号就会产生变化。光照度、使用寿命是红外二极管的主要参数，发光强度E是指光源在指定方向上的一个很小的立体角元dΩ内所包含的光通量dФ，即。在额定工作电流If范围内，发射管发光效率为η，正向压降为u，光源光轴与面元法线夹角为θ，并且光源S到面元dS距离为r，则。那么，光通量全部投射到dS的光照度为：

通常发光效率η、正向压降u是定值，则由式（1）可知，光照度E正比于额定工作电流If，而与检测距离r2成反比。

红外发射管使用寿命公式为：

其中μ为发射管寿命，α、β表示应力寿命加速常数，I表示平均工作电流。α和β都是常数，μ与I呈线性关系，减小平均工作电流能延长管子寿命，但是会影响工作距离和抗干扰能力。如果使用占空比较小的调制光驱动，既能保证较高的发射功率以保持有效工作距离，又能减小平均电流。调制光的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，电流平均值越小，效率越高[5]。

开关电路原理框图见图1，方波发生器产生一定频率的调制信号，使红外发射模块产生调制光，当没有物体阻挡红外光接收时，红外接收电路接收红外信号，该信号经过动态交流耦合得到低电平控制信号，控制触发转换电路驱动输出电路；当有物体阻挡红外管接收时，控制信号为高电平，并输出高电平信号反馈到控制输入端，这样具有很强的抗干扰能力。单片机控制正常工作与休眠状态，当开关不工作时，处于休眠状态。

2 硬件电路设计

硬件电路部分主要包括由单片机控制的红外发射与接收模块、方波产生模块、控制输出模块和稳压电源模块等。

2.1 红外发射与接收模块

红外发射管有正常工作与休眠两种状态，采用单片机控制，该功能较简单，但要求接口较少、抗干扰能力很强，现选用工业级8位单片机 HT48R01C。红外发射电路如图2所示，R3，D7和D8构成与门电路，由单片机PA2口控制发射管驱动信号的开启与关闭。红外接收模块接收红外调制信号并进行处理，还能够过滤各种干扰信号，如图3所示。D8是红外接收管，接收到的红外信号首先通过二阶RC滤波，滤除频率与调制频率相差较远的各种干扰信号，然后对接收信号进行放大和整形后分为两路，一路驱动控制输出模块完成状态翻转，一路连接至单片机PA0口完成是否休眠控制。

图2 红外发射模块Fig.2 Infrared light emitting module

图3 红外接收模块Fig.3 Infrared light receiver module

2.2 控制输出模块

控制输出模块根据红外接收模块的信号改变输出状态，要求状态的翻转稳定可靠。考虑到调制信号是低占空比的方波，在集成单稳态触发器HEF4538的匹配下可以稳定可靠工作，电路图见图4，输出为双NPN型。

图4 控制输出模块Fig.4 Control output module

图5 所示为HEF4538的工作波形图，TR-端连接调制信号，TR+端连接红外接收模块的输出，Q为输出端。当没有接收到红外信号时TR+为高电平，Q处于稳态；当接收到红外信号时参见图6，TR-为低占空比的方波，TR+为高占空比的方波，在TR+为低电平时TR-出现了下降沿，触发Q进入暂稳态，持续时间tw=0.7*R1*C1，可重复触发。调制信号周期为T，选取R1和C1的值令tw处于T和 2T之间，则能保证 Q端根据有无接收到红外信号稳定地分别处于稳态和暂稳态，实现开关功能。在无接收到红外信号时假如有干扰出现在接收端引起TR+端的波形抖动，由于调制信号占空比很小，TR+又保持在高电平，因此除非干扰信号的频率与调制信号频率较接近并且干扰的持续时间较长，在TR-端为高电平时TR+端恰好产生了稳定的下降沿或者TR+的低电平干扰出现时间恰好包含TR-端的上升沿，否则输出端不受任何影响，可见达到了很强的抗干扰性。

图5 HEF4538工作波形图Fig.5 HEF4538 work waveforms

图6 无红外信号时TR+和TR-端波形图Fig.6 TR+and TR-side waveform when no infrared signal

2.3 稳压电源模块

电源模块见图7，具有多重保护和宽范围稳压特性。瞬变电压抑制二极管 D3提供过压保护，由 Q1、D4、D5、R5等组成输入电压钳位电路，能限制二级稳压电路7805的输入电压不超出20 V，减小芯片发热、增加电源转换效率，从而保证电源电路具有较宽的输入电压范围，经高低压实验证明为10 V至30 V。

3 软件程序设计

软件控制光电开关在工作状态和休眠状态之间的切换和相应状态的各种响应。首先对引脚及变量进行定义，PA2引脚控制发射管，PA0引脚检测红外接收模块信号。程序流程图如图8所示，初始化完成后对引脚PA0进行检测计时，当检测到没有信号（即红外光被挡住）且持续时间超过2 mins时，进入休眠状态：PA2输出低电平100 ms然后高电平4 ms，如此循环，同时判断PA0有无信号，当检测到有信号（即没有阻挡）时，退出休眠状态，返回初始化状态。低电平的持续时间有要求，太短休眠效果不明显，太长以致超过某次红外信号的持续时间则可能发生漏检。

图7 稳压电源模块Fig.7 Power supply module

图8 软件流程图Fig.8 Software flow chart

4 试 验

主要包含计数可靠性检验、抗干扰试验，依照国家标准JB/T 6475-1992进行高低温及湿度、振动、绝缘耐压和薄盐雾腐蚀等性能试验，结果符合要求，并验证光电开关能在正常工作和休眠状态之间良好转换。

4.1 计数试验

采用PLC控制步进电机驱动的计数系统检验光电开关的动态响应速度和是否计数可靠。以电机最高转速为15圈每秒（每圈计数2次）做了数万次试验，结果测得全部计数值和理论值完全一致，表明光电开关具有高可靠性。目前超高速电梯的运行速度已经达到16 m/s，以楼层最低高度为2 m来计算，要求光电开关的动态响应时间低于125 ms，在计数试验中已经证明其动态响应时间可以达到33 ms，完全满足各类电梯应用要求[6]。

4.2 抗干扰试验

干扰信号一般来自电网和空中干扰，电网干扰在电梯中主要是变频器产生的50 Hz高次谐波；空中干扰主要来自对讲机和手机信号，通常是100 MHz以上的高频干扰。采用信号发生器产生各种模拟干扰信号，加到光电开关红外接收管的两端，检验光电开关的工作情况，部分测试结果归纳如表1所示。

表1 光电开关抗干扰试验归纳表Tab.1 Photoelectric switch anti-jamming test table of induction

通过大量试验总结和分析，可得出光电开关的几点结论：

1）抗干扰性主要与干扰信号的频率和幅值有关，与干扰信号波形无关。

2）能有效抵抗距离调制频率（约3.6 kHz）较远的干扰信号，但是对调制频率附近的干扰信号敏感。

3）对不连续的瞬时脉冲信号不敏感。

4）在干扰信号频率处于10 kHz以上、500 Hz以下时，能抵抗较自身调制信号幅值（约400 mV）近20倍的干扰。

5 结 论

通过试验，红外光电开关电路的高效宽输入电压稳压电源输入电压范围达10～30 V。单片机控制实现休眠可大大延长寿命，如住宅电梯每天有12小时属于空闲状态，理论上能延长使用寿命50%。采用调制光驱动，接收端二阶滤波电路和单稳态触发器相结合，实现了高抗干扰性和较好的稳定性。各类试验证明光电开关的可靠性良好，对频率范围在10 kHz以上、500 Hz以下的干扰具有很好的抵抗性。考虑到电梯等各类控制系统干扰信号绝大多数属于此频段，开关响应速度很快，完全可以满足使用要求。另外，光电开关的调制信号频率可以在600 Hz至20 kHz之间选择，具体应用中可根据系统环境中存在的干扰情况进行选定，以达到最优的抗干扰性能。

[1]邱邵运，李述香，刘发明，等．基于红外接收模组的智能光电开关设计[J].技术与应用，2009（1）：29-32.QIU Shao-yun，LI Shu-xiang，LIU Fa-ming，et al.Infrared receiver module based on intelligent optical switch design[J].Technology and Application，2009（1）:29-32.

[2]吴金宏，张连中，刘丽娜．光电开关及其应用[J].国外电子元器件，2001（5）：14-18.WU Jin-hong，ZHANG Lian-zhong，LIU Lina.Photoelectric switch and its application[J].Foreign Electronic Components，2001（5）:14-18.

[3]靳鹏．探讨光电开关的原理与应用 [J].中国科技博览，2011（6）：307.JIN Peng.Explore the principlesand applicationsof photoelectric switch[J].Chinese Science and Technology Expo，2011（6）:307.

[4]戴明远．抗干扰性能优良的电梯光电平层开关[J]．电气自动化，2003，25（6）：71-72.DAI Ming-yuan.An excellent anti-interference performance elevator photoelectric leveling switch[J].Electric Automation，2003，25（6）:71-72.

[5]卫金法．一种新型电梯平层开关[J]．中国电梯，2002，13（7）：50-51.WEI Jin-fa.A new elevator leveling switch[J].China Elevator，2002，13（7）:50-51.

[6]GAO Ai-hua，LIU Wei-guo，WU Wei.Measurement of response time of photoelectric detector based on optical switch[J].Engineering Village，2008:88-90.