用工頻波作為編碼的光電型位置檢測(cè)電路

在傳統(tǒng)的交流供電電器產(chǎn)品中，需要采用光電對(duì)管對(duì)工件或者零部件的位置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為了濾除環(huán)境光的干擾，通常會(huì)采用同其它直流供電電路一樣的方式，首先分別采用降壓整流電路給發(fā)射部分和接收部分供電，發(fā)射部分采用訊號(hào)發(fā)生電路和載波發(fā)生電路將訊號(hào)波形調(diào)制在一個(gè)載波（例如38KHz）上然后以之驅(qū)動(dòng)發(fā)光管，而接收部分采用紅外接收二極管或者專用接收頭（例如內(nèi)含38KHz解碼電路）解調(diào)出訊號(hào)波形，然后送給相關(guān)電路或者交主機(jī)處理。光電對(duì)管通常按照安裝位置的不同可分為對(duì)射式和反射式，對(duì)射式指發(fā)光管的發(fā)光面與接收管的受光面兩兩相對(duì)，如果光路暢通，則接收管直接接收發(fā)光管的射出光，或者因?yàn)楸粰z測(cè)工件阻擋光路而無(wú)法接收；反射式指接收管不直接接收發(fā)光管的射出光，而是接收被被檢測(cè)工件反射的射出光。其大致電路框圖如圖1：

圖1

由于發(fā)射管由發(fā)射電路提供的特定編碼訊號(hào)驅(qū)動(dòng)。因此驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜而成本較高，特別在交流供電設(shè)備中使用時(shí)沒(méi)有利用交流電固有的編碼特性。而且接收部分的電路同樣比較復(fù)雜，導(dǎo)致整體成本無(wú)法下降，另外因?yàn)榘l(fā)射管需要數(shù)毫安甚至數(shù)十毫安的驅(qū)動(dòng)電流，加上兩個(gè)電源部分的消耗，這對(duì)整個(gè)電路耗電只有數(shù)毫安甚至更小的主控板而言無(wú)疑是一個(gè)極大的負(fù)擔(dān)，特別是對(duì)于以單個(gè)二極管半波整流，電容降壓或者電阻降壓方式供電的絕大部分小家電、美容電器、廚房家電、便攜式設(shè)備等產(chǎn)品，更是完全無(wú)法接受。另外一種方法是由主控單元（CPU）給出一個(gè)特定的編碼訊號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元（例如驅(qū)動(dòng)用MOS管或者雙極型晶體管）驅(qū)動(dòng)發(fā)光管，接收部分相應(yīng)解碼，由于僅僅相當(dāng)于將訊號(hào)和載波產(chǎn)生電路由主控CPU軟件完成，因此造成CPU主控程序大大復(fù)雜化，同樣影響成本，而且驅(qū)動(dòng)電流的問(wèn)題和驅(qū)動(dòng)部分的成本問(wèn)題依然存在。

有鑒于此，我們經(jīng)過(guò)反復(fù)權(quán)衡，最終制定了下述的編解碼方案。其特點(diǎn)是發(fā)光管直接由220V/110V交流電經(jīng)整流降壓后驅(qū)動(dòng)，利用交流供電電流直接驅(qū)動(dòng)LED，而主機(jī)部分供電串接在同一回路中，公用同一驅(qū)動(dòng)電流。并且在接收電路內(nèi)部采用檢測(cè)3個(gè)以上交流電周期訊號(hào)的特征作為有效編碼來(lái)判斷工件工況。信號(hào)檢測(cè)部分整體電路如圖2。

圖2

相對(duì)于傳統(tǒng)的光電型位置檢測(cè)電路，圖2的光電對(duì)管Q1的驅(qū)動(dòng)電路異常簡(jiǎn)單。交流輸入電壓經(jīng)D1整流，R1降壓，發(fā)光管串接在此回路上，發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電流可以通過(guò)R1的阻值調(diào)節(jié)，而此回路同時(shí)可以串接其它功能電路，例如串接一個(gè)穩(wěn)壓管D2//C1用于給主機(jī)和其他電路供電等。R3/R4過(guò)零檢測(cè)電路用于檢測(cè)交流電壓的過(guò)零點(diǎn)并輸入主控單元作為檢測(cè)電路同步信號(hào)，用于控制主控電路使之正好在交流電壓的正負(fù)半周峰值時(shí)檢測(cè)光電接收管的輸入訊號(hào)。

首先我們計(jì)算一下發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電流：在最惡劣的情況下，設(shè)主機(jī)模塊電路的總耗電電流低至1.5mA，加上穩(wěn)壓二極管上消耗的電流，主機(jī)控制板整體耗電假設(shè)低至2mA，這是極端小的情況了。由于采用的是半波整流，則每個(gè)正半周內(nèi)供電回路需平均供應(yīng)4.5mA電流，在交流電壓峰值時(shí)的電流(也就是流過(guò)發(fā)光二極管的峰值電流)則近似為6.3mA。這個(gè)電流足以推動(dòng)發(fā)光管發(fā)光了。而如果主控板的整體耗電電流增加至超過(guò)15mA，此時(shí)繼續(xù)按照?qǐng)D一的接法時(shí)可能令發(fā)光管回路上的峰值電流超過(guò)50mA，將超出發(fā)光管電流極限值而導(dǎo)致?lián)p毀，這種情況下可以簡(jiǎn)單的在發(fā)光管兩端并聯(lián)一個(gè)分流電阻來(lái)解決。

Q1內(nèi)部的發(fā)射管在交流負(fù)半周時(shí)因?yàn)镈1的阻斷不發(fā)光，而正半周周期內(nèi)瞬時(shí)電壓超過(guò)7V（Vcc++Vd1+Vr1+Vd2）時(shí)Q1的發(fā)射管開始發(fā)光，而且在正半周峰值時(shí)發(fā)光亮度達(dá)到最高。在反光效率不變的情況下此時(shí)接收管輸出訊號(hào)S0最低。此時(shí)如果反射效率足夠，則接收管充分飽和導(dǎo)通，輸出低于比較器低限的低電平，即此時(shí)U1A/U1B輸出S1=1, S2=1，U2A輸出為1，設(shè)此時(shí)狀態(tài)為“狀態(tài)1”；反之，在交流電負(fù)半周峰值（波谷）時(shí)光電接收管截止，光電接收管輸出高于窗口比較器高限的高電平，即此時(shí)U1A/U1B輸出S1= 0, S2=0，U2A輸出也為1。設(shè)此時(shí)狀態(tài)為“狀態(tài)2”。而如果反光效果不佳，在波峰時(shí)S0的輸出電平仍然高于V1，或者環(huán)境光較強(qiáng)導(dǎo)致在波谷時(shí)輸出電平S0仍然低于V0，這樣S1S2的輸出不是剛好為“00”或“11”，則U2A輸出為低，這樣采用上述電路實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)工件位置很近、反射很強(qiáng)時(shí)電路輸出為高；目標(biāo)工件位置較遠(yuǎn)、反射較弱時(shí)電路輸出也為高；只有目標(biāo)工件位置變化，或者穿孔輪式光電開關(guān)輪子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)才會(huì)導(dǎo)致反射光強(qiáng)度變化不定，電路才會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生負(fù)向脈沖的目的。當(dāng)然，如果要判斷工件是靠得很近還是較遠(yuǎn)，只需讀取U1a/U1b兩個(gè)比較器的輸出就可以了。

上述電路拋開CLK訊號(hào)用的話就談不上特色了，其抗干擾性能也就一般水準(zhǔn)，但是我們加入CLK訊號(hào)就有了決定性的改善了。我們可以通過(guò)選擇R3/R4使CLK訊號(hào)在快到交流峰值時(shí)達(dá)到主機(jī)檢測(cè)端口的閾值，這樣可以令主機(jī)在每次交流峰值前后對(duì)U2A輸出訊號(hào)S1進(jìn)行判斷，連續(xù)讀取數(shù)個(gè)交流周期，這樣就基本上杜絕了外界光干擾導(dǎo)致S1訊號(hào)非正常翻轉(zhuǎn)引起的誤判。

另外，R5/R6/R7配合U1a/U1b組成窗口電壓檢測(cè)器使之能更有效的排除雜散光的干擾。例如對(duì)于圖一所示5V供電的系統(tǒng)，我們將窗口低限設(shè)置在1/5*Vcc，窗口高限設(shè)置在4/5*Vcc，這樣凡低于低限的訊號(hào)才確認(rèn)為低，高于高限的訊號(hào)才確認(rèn)為高，從而可以有效濾除大部分雜散干擾訊號(hào)。

為便于理解，下面詳細(xì)描述各種不同環(huán)境下的工作情況。

1．被測(cè)工件或設(shè)備零組件位置與光電對(duì)管足夠接近，這時(shí)反射光足夠強(qiáng)，而同時(shí)因?yàn)楣ぜc受光面非常接近而有效阻止環(huán)境光對(duì)接收管受光面的干擾，因此不必考慮環(huán)境光干擾問(wèn)題，此時(shí)接收管輸出連續(xù)的S0=0-1-0-1-0-1訊號(hào)，如圖3，配合CLK訊號(hào)，在每個(gè)交流峰值前后U2A的輸出都是1，由解碼電路判斷此狀態(tài)為狀態(tài)1。

圖3

2．被測(cè)工件或設(shè)備零組件位置與光電對(duì)管距離較遠(yuǎn)，而環(huán)境干擾光也較弱，這時(shí)反射光太弱，環(huán)境光干擾也小，因此接收管輸出持續(xù)的高電平，S0輸出的是一組標(biāo)準(zhǔn)的“1-1-1-1-1-1”連續(xù)訊號(hào)，波形如圖6，當(dāng)然一定疊加有微量反射光，但是在反射光最低瞬間仍然不足以使輸出電平為低，這可以很容易的通過(guò)調(diào)節(jié)反射效率來(lái)保證，這時(shí)S0高于V1和V0，在每個(gè)交流峰值前后U2的輸出都是1，配合CLK訊號(hào)，此時(shí)由解碼電路判斷此狀態(tài)為狀態(tài)1，如圖4。

圖4

3．被測(cè)工件或設(shè)備零組件位置與光電對(duì)管距離較遠(yuǎn)，但環(huán)境干擾光穩(wěn)定且較強(qiáng)，這時(shí)反射光太弱，環(huán)境光干擾太大導(dǎo)致接收管持續(xù)接近導(dǎo)通，因此接收管輸出持續(xù)的低電平，輸出的是一組標(biāo)準(zhǔn)的“0-0-0-0-0-0”連續(xù)訊號(hào)，波形如圖五，當(dāng)然同樣一定疊加有微量反射光，但是在反射光最高瞬間仍然不足以使輸出電平為高，這同樣可以很容易的通過(guò)調(diào)節(jié)反射效率來(lái)保證，這時(shí)S0低于V0和V1，如圖5，配合CLK訊號(hào)，在每個(gè)交流峰值前后U2的輸出都是1，此時(shí)由解碼電路判斷此狀態(tài)仍然為狀態(tài)1。

圖5

4．被測(cè)工件或設(shè)備零組件位置與光電對(duì)管距離不停的變化，接收管輸出訊號(hào)S0變化范圍很大，且環(huán)境干擾光不斷無(wú)規(guī)則變化且較強(qiáng)，環(huán)境光干擾較大導(dǎo)致接收管輸出不斷依照環(huán)境光變化而變化，如圖6及圖7，圖六表示干擾光由強(qiáng)變?nèi)跛查g的反應(yīng)波形，圖七則相反，表示干擾光由弱變強(qiáng)瞬間的反應(yīng)波形。導(dǎo)致S1S2輸出不停變化，S3狀態(tài)也不斷翻轉(zhuǎn)，此狀態(tài)可由解碼電路判斷為狀態(tài)0，如圖6及圖7。

圖6

圖7

由上可見(jiàn)，在第一階段時(shí)，反射光線極強(qiáng)而環(huán)境光干擾極少，光電管輸出的是一個(gè)連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)的1-0-1-0-1-0-訊號(hào)，而距離較遠(yuǎn)時(shí)無(wú)論有無(wú)環(huán)境光干擾，其輸出要么是“1-1-1-1-1-1”、要么是“0-0-0-0-0-0”，要么是無(wú)規(guī)律的其他連續(xù)訊號(hào)如“1-1-0-0-0-0-1-0”、“0-0-0-1-1-1-1-0”等，其變化速度取決于訊號(hào)翻轉(zhuǎn)的速度。因此，我們只要在后面使用一個(gè)極簡(jiǎn)單的邏輯解碼電路，即U1/U2及其附屬電路，使之配合CLK同步訊號(hào)，每個(gè)周期檢測(cè)一次，檢測(cè)到連續(xù)三組以上規(guī)則的S0=0-1訊號(hào)（即“S0=0-1-0-1-0-1”或者“S0=0-1-0-1-0-1-0-1-0-1 -0-1”），即可認(rèn)為是有效的狀態(tài)1(S3=1)，即表示“待測(cè)工件停在距離光電對(duì)管較近處”，或者“待測(cè)工件在距離光電對(duì)管較遠(yuǎn)處停留未動(dòng)”，而如果要區(qū)分遠(yuǎn)近則只要判斷U1B的輸出是否為低就可以。也就是說(shuō)有效區(qū)分開了工件的是否動(dòng)作及距離遠(yuǎn)近，實(shí)現(xiàn)工件位置檢測(cè)。

我們實(shí)現(xiàn)上述方案的設(shè)計(jì)是用于一款?yuàn)A鉗狀美容產(chǎn)品，用于判斷產(chǎn)品是否正在使用（正在使用時(shí)會(huì)不停的合夾開夾，暫停使用時(shí)要么合夾不動(dòng)，要么開夾不動(dòng)）。如果產(chǎn)品長(zhǎng)期處于暫停使用狀態(tài)（30分鐘或1小時(shí)），則需要進(jìn)入待機(jī)模式或睡眠模式，以策安全及降低功耗。我們采用上述設(shè)計(jì)方案之后達(dá)到了非常滿意的結(jié)果。使用狀態(tài)下無(wú)論采用強(qiáng)光干擾、人為故意搖晃、在各個(gè)位置開夾合夾模式下施加不同的強(qiáng)光或強(qiáng)紅外干擾都可以正確判斷產(chǎn)品是正在使用還是擱置未用。

當(dāng)然，圖2所述電路雖然省略了發(fā)射接收部分電源電路和編解碼電路，但是還是要使用兩個(gè)比較器和一個(gè)異或非門，如果用圖2電路配合一般MCU來(lái)使用則還有一定的簡(jiǎn)化余地，但是如果我們?cè)?a href="http://www.makelele.cn/tags/asic/" target="_blank">ASIC定制電路中來(lái)使用的話，則堪稱極致簡(jiǎn)單了。如圖8，虛線框內(nèi)的電路都可以直接設(shè)計(jì)在ASIC內(nèi)部，當(dāng)然電路也可以比圖2做得更加完美（例如增加鎖存和防抖電路單元等），這樣留在芯片外部的只剩下光電接收管和負(fù)載電阻了（該電阻可用于外部調(diào)節(jié)接收靈敏度，不可省略）。而接收部分只需要在供電回路串接一個(gè)光電發(fā)射管，無(wú)需任何其它編解碼電路和附屬電路。完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)電路如圖9。

圖8

圖9

該ASIC根據(jù)發(fā)熱頭H1和H2本身阻值與其溫度成比例對(duì)應(yīng)的特性，采用測(cè)量發(fā)熱頭H1//H2的并聯(lián)電阻值的方法來(lái)判斷加熱溫度，從而達(dá)到控制產(chǎn)品發(fā)熱溫度的目的。電路中Ra/Rb/Rx/Ry和H1//H2組成惠斯通電橋，Rb和H1//H2串聯(lián)為橋路一臂，Ra/Rx/Ry三個(gè)電阻分別為另外三臂。位置檢測(cè)光電對(duì)管采用Vishay的CNY70，R6為接收管的集電極負(fù)載電阻。采用上述光電型位置檢測(cè)電路后，整個(gè)電路相對(duì)客戶原MCU方案大幅簡(jiǎn)化，BOM成本降低一半左右，并且產(chǎn)品功耗大幅減低，穩(wěn)定程度大幅度提高，各種惡劣環(huán)境下都不會(huì)發(fā)生誤判現(xiàn)象，此外生產(chǎn)測(cè)試程序也大幅度簡(jiǎn)化，顯著提高了產(chǎn)品的綜合性能。