一種基于雙MCU的安全光幕設計方案

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，當光照度一定時，適當減小檢測距離可以大大減小光電流。工作電流及工作電壓對發(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，器件的溫度上升，使光發(fā)射功率下降，且電流過大易影響其使用壽命。電流過小，將影響其輻射功率的發(fā)揮。當電壓越過正向閾值電壓(本系統(tǒng)所使用的約1 V左右)時，電流開始流動，且其工作電流對工作電壓十分敏感，因此要求工作電壓準確、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，需設置紅外發(fā)射管工作于脈沖狀態(tài)，在電路設計時，需要盡量提高峰值電流Ip，使其發(fā)射距離更遠。

因紅外發(fā)射管的使用壽命與其工作電流相互制約，可對其工作脈沖占空比進行合理調(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)過調(diào)試該紅外發(fā)射管工作在1：4的占空比時，實驗效果最佳。

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?？紤]以上因素，本系統(tǒng)選用的紅外發(fā)射管，其峰值電流可達到1 A，發(fā)射角度為34°，能很好地滿足系統(tǒng)要求。

紅外發(fā)射模塊中AVR單片機ATmega32通過PA6端口控制移位寄存器HCF4094的時鐘信號，從而控制紅外發(fā)射管導通的時間;PA7端口控制其數(shù)據(jù)信號，用來選通紅外發(fā)射管;PD4端口是單片機的輸出比較匹配控制口，它連接移位寄存器的使能端OE;PD4端口使用定時器PWM模式，控制紅外發(fā)射管的調(diào)制頻率。單片機控制3個端口配合，使每支管子依次發(fā)光，控制時問為1 ms，實際發(fā)光時間為250μs，并在PD4給出的50 kHz調(diào)制頻率下，有序地進行發(fā)射工作。

2.2 紅外接收模塊

紅外接收模塊主要任務是負責紅外發(fā)射模塊與接收模塊之間的通信、紅外接收信號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，光感電流對電容進行充電，通過光通量變化獲得相應的電信號。無遮擋物時，光路通暢無阻，接收紅外光，光感電流最大;有遮擋物通過檢測區(qū)域時，光路部分被遮擋，輸出電位升高。越有效遮光，輸出電位越高。利用該原理可以實現(xiàn)對檢測區(qū)域是否存在異物進行測定，進而可執(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端則應在響應時段發(fā)送高電平，若有故障則輸出低電平，信號輸入另一個單片機I/O口中，進行電平檢測。兩單片機通過定時監(jiān)測，實現(xiàn)實時相互檢測。光幕的報警輸入信

號要求系統(tǒng)能夠及時響應，所以報警輸入與單片機的外部中斷引腳相連。整個光幕系統(tǒng)由紅外接收模塊MCU1主控，負責紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊的信號同步，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)射模塊開始順序發(fā)射紅外光，同時紅外接收模塊控制的相應的紅外接收管開始接收紅外信號，進行一對一的紅外光發(fā)射接收。紅外接收器將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過濾波、放大、整形后分別輸入給MCU1、MCU2，通過接收端的中斷服務程序處理，進行同步操作，檢測其窄脈沖與預設的是否相同。判斷光幕是否被遮擋，信號是否有效，然后進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快(一般在0.2 ms以下)，適用于要求快速響應的場合;晶體管無機械觸點，比繼電器輸出電路壽命長。

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

晶體管輸出電路的形式主要有兩種：NPN和PNP型集電極開路輸出。NPN型控制輸出在系統(tǒng)觸發(fā)時，信號輸出線OUT和電源線VCC連接，公共端COM只能接外接電源的負極，相當于輸出高電平，OSSD常態(tài)是高電平。當光幕檢測到物體遮擋時，控制安全輸出動作，OSSD變?yōu)榈碗娖?相反地，PNP型控制輸出在系統(tǒng)觸發(fā)時信號輸出線OUT和0 V線連接，而PNP型的COM端只能接外接電源的正極，相當于輸出低電平，OSSD常態(tài)是低電平，當光幕檢測到物體遮擋時，OSSD安全輸出動作，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集電極開路輸出電路。系統(tǒng)中采用雙路OSSD輸出，保證輸入信號的正確性，且兩個MCU都對安全輸出口進行性能監(jiān)測，通過電路具體設置，單片機定時檢測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)，保證輸出信號的可靠性，從而對使用者提供有效的保護。