一种反射式红外光电传感器及该传感器的程控频率调距方法

摘要

本发明涉及一种反射式红外光电传感器和该传感器的程控频率调距方法，传感器包括红外发射电路、红外接收电路、单片机、输出接口电路和设置电路，红外发射电路由单片机驱动并能发射调制频率为的红外脉冲光；红外接收电路包括中心接收频率为的红外遥控接收模组；设置电路向单片机发送设置请求信号；单片机接收调距请求信号后可控制红外脉冲光频率以调整传感器的有效检测范围。本发明的光电传感器以及调距方法实现了程控频率调距，充分利用了软件资源，简化了电路结构，同时也实现了智能化设置，仅利用一个按键即可完成全部设置，方便实用，另外还使得输出接口的输出方式可以切换，使用更加灵活方便，增加了传感器的适用范围。

说明书

技术领域

本发明属于光电传感器技术领域，具体的说是一种反射式红外光电传感器的程控 频率调距方法。

背景技术

反射式红外光电传感器的工作原理是：通过红外发射管发射一定调制频率的红外 光，反射光由光敏管检测并经放大、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，采用调制光的目的是为了提高抗干扰的能力。一般地，发射光 的调制频率等于接收电路的中心接收频率。

常见的反射式红外光电传感器分为两种，即固定检测距离型和可调检测距离型 (以下简称调距型)，调距型光电传感器通常采用可调电阻调整检测距离，其调距 方式有两种：其一是通过调节发射光强度实现调距，其二通过调节放大电路的参数 实现调距。

对于第一种调距方式，研究证明，发射管的发射光强度与工作电流相关：当工作 电流小于10mA时，电流产生的微小变化即可引起发射光强度的较大变化；当工作 电流大于20mA时，发射管的发射光强度较大且较稳定，改变发射电流对发射光强 度影响不大。显然，发射管工作在小电流下，发射光强度更容易调节，然而，在小 电流下，电流强度容易受环境温度干扰，环境温度变化引起工作电流的微小变化也 会导致发射光强度的改变，从而影响发射光强度的稳定性。可见，当发射管工作在 小电流下，发射光强度易于调节，但是稳定性差，当发射管工作在大电流下，发射 光强度较稳定但是不易调节，两者存在矛盾。在反射式红外光电传感器中，发射管 的额定工作电流一般为20mA左右，由前述可知，通过调节发射光强度实现调距的 方法并不可取。

目前调距型光电传感器多采用第二种调距方式，即通过调节放大电路参数的方法 实现调距。但是，该方法同样存在缺陷：其一，提高放大增益虽能提高灵敏度，但 降低了抗干扰能力；其二，可调电阻存在机械接触，易受环境影响而改变其固有参 数，进而影响传感器的稳定性。基于上述原因，反射式红外光电传感器的调距方法 需要创新。

申请人曾在《传感器世界》中发表过一篇名称为“基于红外接收模组的智能光电 开关设计”的文章，文中讨论了通过智能化动态光强控制来提高检测的稳定性问题， 但是文中并未涉及调距技术。另外，由于红外遥控接收模组是将接收电路、放大电 路和解调电路一体化设计，其增益并不可调。因此，要想采用技术成熟、性能稳定、 价格低廉的红外遥控接收模组设计新型传感器，需要对反射式光电传感器的调距方 式进行改进。

公知的，以锁相环为代表的一类鉴相检波电路，都具有选频特性，当输入信号的 频率接近其中心接收频率时，具有最大的灵敏度，偏离中心接收频率则灵敏度下降， 偏离较大时则灵敏度下降为零，也就是说，随着频率的偏移，灵敏度会逐渐下降， 这就为以变频的方式调节传感器的灵敏度提供了可能。

基于前述内容，对于本申请中的反射式光电传感器而言，灵敏度变化等效于测量 距离的变化，该种调距方式在本申请中简称为“变频调距”。其中，改变频率可以 手动实现，比如旋转电位器，也可以自动实现，比如程序控制。本申请主要针对后 者，为便于描述，本申请涉及的调距方式简称为“程控频率调距”。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种反射式红外光电传感器，该传感器的 电路结构简单、设置方便、使用灵活、可实现程控频率调距。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种传感器的程控频率调距方法，该方法 利用单片机改变发射光频率，从而改变传感器的有效检测距离，能够充分利用软件 资源，简化电路结构，提高传感器的稳定性。

为解决上述第一个技术问题，本发明的反射式红外光电传感器的结构特点是包括 红外发射电路、红外接收电路、单片机、输出接口电路和设置电路，其中：

红外发射电路包括红外发射管,该红外发射管由单片机驱动并能发射调制频率为 f的红外脉冲光；

红外接收电路包括中心接收频率为f₀的红外遥控接收模组，该红外遥控接收模组 检测反射光，并初步判断是否有被检物进入传感器已设定的检测范围d，再将判断 结果输出给单片机；

设置电路包括一个按键，该按键向单片机发送设置请求信号；

输出接口电路由单片机驱动并向输出连接器发送开关信号作为输出；

单片机为控制核心，其内建有用于存储参数和程序的非易失性存储单元，其具有 多个与上述各电路连接的I/O接口，其中的一个I/O接口输出频率可调的波形信号 且该波形信号发送给红外发射管作为红外发射管的驱动信号，另一个I/O接口接收 红外遥控接收模组的信号且单片机将来自该接口的信号进行抗噪处理以最终确定 是否有被检物存在，从而通过又一个I/O接口驱动输出接口电路输出开关信号，单 片机还具有一个专用于接收设置请求信号的I/O接口，设置请求信号包括用于启动 单片机控制改变波形信号频率以调整传感器检测范围的调距请求信号。

所述红外光电传感器还包括用于单片机在线下载程序的预留连接器；所述设置请 求信号还包括用于启动单片机改变输出接口电路输出方式的输出方式切换请求信 号，输出方式切换请求信号和调距请求信号依据按键持续按下时间的长短划分。

所述按键持续按下时间小于10秒则设置请求信号为调距请求信号，按键持续按 下时间大于10秒则设置请求信号为输出方式切换请求信号。

所述红外遥控接收模组包括光探测器、前置放大器和检波电路。

所述输出接口电路包括连接在单片机和输出连接器之间的NPN型三极管，该NPN 型三极管的发射极接地、基极与单片机的I/O接口连接、集电极与输出连接器连接。

为解决上述第二个技术问题，本发明的传感器的程控频率调距方法包括如下步 骤：

步骤1)将被检物置于传感器光路的前方，保证被检物与传感器之前的直线距离 为待设定的有效检测距离d；

步骤2)按下设置电路的按键并向单片机发送调距请求信号；

步骤3)单片机接收调距请求信号并向红外发射管发送频率f＝f₀的波形信号作为 其驱动信号，用以驱动红外发射管发射频率f＝f₀的脉冲光；f₀为红外遥控接收模 组的中心接收频率；

步骤4)通过红外接收电路检测反射光并由单片机确定是否有被检物，若检测不 到被检物，则单片机保存原参数退出，说明待设定的有效检测距离d超出传感器自 身的最大量程；若能检测到被检物，则单片机控制改变波形信号的频率f使其逐渐 减小或逐渐增大以偏离中心接收频率f₀，同时不断通过红外接收电路检测反射光并 由单片机确定是否有被检物，直到被检物不能被检测到，记录此时的波形信号频率 f，该波形信号频率f对应的检测距离即为待设定的有效检测距离d；

步骤5)单片机将与步骤4中所记录波形信号频率f相对应的参数存储到非易失性 存储单元中，以供正常检测时调用；

步骤6)调距完成，回到正常检测状态。

步骤2)中的按键还可向单片机发送输出方式切换请求信号，输出方式切换请求 信号和调距请求信号依据按键持续按下时间的长短划分。单片机接收到输出方式切 换请求信号时，如果输出接口电路的输出方式为常开状态输出，则切换为常闭状态 输出，如果输出接口电路的输出方式为常闭状态输出，则切换为常开状态输出；修 改后的输出状态保存在非易失性存储单元中。

可见，本发明具有如下优点：1)实现了程控频率调距，充分利用了软件资源， 简化了电路结构；2)实现了智能化设置，仅利用一个按键即可完成全部设置，方 便实用；3)输出接口的输出方式可以切换，使用更加灵活方便，传感器可以常开 输出也可以常闭输出，增加了传感器的适用范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明的整体结构框图；

图2为发射光频率与传感器测量距离之间关系的实验原理图；

图3为本发明的光电传感器电路原理示意图；

图4为本发明的软件系统流程图。

具体实施方式

参照附图，本发明的反射式红外光电传感器包括红外发射电路1、红外接收电路 2、单片机U2、输出接口电路3和设置电路4。被检物5放置在光路前方，其将红 外发射电路1发射的红外光反射给红外接收电路2。

参照附图，红外发射电路1包括红外发射管L1,该红外发射管L1由单片机U2驱 动并能发射调制频率为f的红外脉冲光。

参照附图，红外接收电路2包括中心接收频率为f₀的红外遥控接收模组U1。其中， 红外遥控接收模组U1将光探测器、前置放大器和检波电路封装在一起，以实现信 号的接收、放大与检波，没有外围元件，其输出可直接与单片机的I/O接口连接， 具体的可采用IRM-3638型红外遥控接收模组。红外遥控接收模组U1检测反射光， 并初步判断是否有被检物进入传感器已设定的检测范围d，再将判断结果输出给单 片机U2。

参照附图，设置电路4包括一个按键K1，该按键K1向单片机U2发送设置请求信 号，设置请求信号依据按键按下时间的长短分成两种，其一为调距请求信号，其二 为输出方式切换请求信号，后面会进一步阐释。

参照附图，输出接口电路3由单片机U2驱动并向输出连接器J1发送开关信号作 为输出。输出接口电路3包括连接在单片机U2和输出连接器J1之间的NPN型三极 管T1，该NPN型三极管T1的发射极接地、基极与单片机U2的I/O接口连接、集电 极与输出连接器J1连接。

参照附图，本发明的红外光电传感器还包括用于单片机U2在线下载程序的预留 连接器J2。设置请求信号还包括用于启动单片机U2改变输出接口电路3输出方式 的输出方式切换请求信号，输出方式切换请求信号和调距请求信号依据按键K1持 续按下时间的长短划分。在本发明中，按键K1持续按下时间小于10秒则设置请求 信号为调距请求信号，按键K1持续按下时间大于10秒则设置请求信号为输出方式 切换请求信号。

参照附图，单片机U2为控制核心，其内建有用于存储参数和程序的非易失性存 储单元，其具有多个与上述各电路连接的I/O接口，其中的一个I/O接口输出频率 可调的波形信号且该波形信号发送给红外发射管L1作为红外发射管L1的驱动信 号，另一个I/O接口接收红外遥控接收模组U1的信号且单片机U2将来自该接口的 信号进行抗噪处理以最终确定是否有被检物存在，从而通过又一个I/O接口驱动输 出接口电路3输出开关信号，单片机U2还具有一个专用于接收设置请求信号的I/O 接口，设置请求信号包括用于启动单片机U2控制改变波形信号频率以调整传感器 检测范围的调距请求信号。

图3是光电传感器的电路原理示意图，单片机U2、电阻R4、电容C1、电容C2、 发光二极管L2构成单片机电路，单片机U2包含8引脚，具有5个I/0接口，在实 际生产中可选用内建EEPROM的STC15F100E系列单片机。C1、C2为电源去耦电容。 发光二极管L2，用于状态指示，限流电阻R3的阻值为1KΩ，发光二极管L2由单 片机U2的P3.0口驱动。红外发射管L1与限流电阻R1构成红外发射电路，由单片 机U2的P3.3口驱动，R1的阻值由最大检测距离决定，电路工作时发射红外光的波 长为940nm，红外脉冲光的调制频率由单片机U2决定。红外遥控接收模组U1、电 阻R2、电解电容C3构成红外检测电路，其中R2的阻值为47-100Ω，C3容量为10 μF-22μF的电解电容，其作用是为U1的电源去耦，减少其他电路的影响。红外遥 控接收模组U1的接收窗朝向反射光方向，其输出接单片机U2的P3.2口。NPN型三 极管T1、限流电阻R4、连接器J1构成输出接口电路，其中T1的基极通过阻值为 10KΩ的R4与单片机U2的P3.4口连接，T1的输出状态受单片机U2控制，T1的集 电极直接连接J1，J1的另外两个引脚为传感器电路提供给5V电源。常开按键K1 构成设置电路，其一端接电源地，一端接单片机U2的P3.1口，接通时向单片机U2 的P3.1口输入低电平，提出设置请求。连接器J2是为U2在线下载程序所预留， 不影响传感器的工作。

其中，NPN型三极管T1采用集电极开路输出，当传感器设置为常开输出方式时， 无检测物时单片机U2输出低电平，NPN型三极管T1处于截止状态，有检测物时单 片机U2输出高电平，T1处于饱和导通状态；当设置为常闭输出方式时，无检测物 时单片机U2输出高电平，NPN型三极管T1处于饱和导通状态，有检测物时单片机 U2输出低电平，NPN型三极管T1处于截止状态。

图4是本发明的软件系统程序流程框图，图中字符含义如下：50为“程序开始”， 51为“读取设置参数”，52为“初始化传感器”，53为“是否检测到反射光？”， 54为“置位输出接口”，55为“复位输出接口”，56为“是否有设置请求？”， 57为“是调距设置吗？”，58为“编程输出方式”，59为“存输出方式参数”， 5A为“程控频率调距”，5B为“是否有被检物？”，5C为“改变频率继续检测”， 5D为“调距是否完成？”，5E为“转换频率参数”，5F为“存频率参数”。图中 Y为YES的简化，N为NO的简化，箭头表示程序执行流程方向。其中，51、52构成 初始化程序，53、54、55、56构成主程序，58、59构成编程接口输出方式程序， 5A、5B、5C、5D、5E、5F构成程控频率调距程序。传感器上电复位后开始执行程序， 首先从读取已经设置的参数，然后初始化传感器，按设置的参数进入主程序工作状 态。主程序依次检测是否有反射光，是否有设置按键按下，若均为N(否定)状态 则返回主程序循环执行。若检测到有反射光，说明有检测物进入检测范围，则按编 程输出方式置位输出接口状态，否则复位输出接口状态，然后继续执行主程序。若 检测到有设置请求，则经57判断后或执行编程接口输出方式程序，或执行程控频 率调距程序，设置完毕后，均返回初始化程序，重新初始化传感器，然后进入主程 序循环。

本发明在正常检测状态下，单片机的软件系统产生频率为f的矩形波信号输送到 红外发射电路，并驱动红外发射管发出调制频率为f的红外脉冲光，该脉冲光遇到 处于距离为d处的被检物，向红外接收电路反射红外脉冲光，经红外接收电路处理 得到被检物可能存在的信息，该信息将反馈到单片机电路由软件系统进一步确认， 单片机确认是否有被检物进入其设定的有效检测范围内，并将是和否的逻辑结果送 输出接口电路输出。

图2是发射光频率与传感器测量距离之间关系的实验原理图，横坐标为调制光频 率f，单位为kHz；因测量距离还与发射光强相关，故纵坐标为相对测量距离，其 定义为d/d_m×100％，即实测距离d与最大测量距离d_m之比。图中曲线表明，中心频 率38kHz处对应最大相对测量距离100％，随着调制光频率的变化(所谓变化是指增 大或减小，一般情况下为减小)，其相对测量距离逐渐减小，这也是本发明的理论 依据。在本发明中，红外遥控接收模组的中心接收频率为f₀，当红外脉冲光频率 f＝f₀时，模组的灵敏度最高，对应最大检测距离d_m；当f≠f₀时，模组灵敏度下降， 有效检测距离d<d_m，即通过编程改变脉冲光频率f的大小，可以实现有效检测距 离d的调节，该方式谓之“程控频率调距”，摒弃了传统的可调电阻调距的方式。

在生产加工传感器时，默认为最大检测距离，若想调节有效检测距离，首先将被 检物置于传感器光路前方，然后短按一次设置键，即持续按键时间小于10秒，设 置电路向单片机发送调距请求信号，传感器进入程控调距工作状态，具体调距过程 为：单片机的软件系统先控制红外发射电路输出频率为f＝f₀的脉冲光，确认是否 能够检测到被检物，若检测不到被检物，说明被检物超出其检测范围或被检物反射 太弱，这时将维持原参数退出；若能检测到被检物，软件系统将控制发射电路发射 逐渐偏离f₀的红外脉冲光并不断检测反射光是否满足接收要求，直到被检物不能被 检测到，此刻的脉冲光频率f所对应的检测距离，即为设定的有效检测距离d，软 件系统对频率f修正后的参数完成存储后，退回到正常检测状态。

基于前述的反射式红外光电传感器，总结出本发明的传感器程控频率调距方法包 括如下步骤：

步骤1)将被检物5置于传感器光路的前方，保证被检物5与传感器之前的直线 距离为待设定的有效检测距离d；

步骤2)按下设置电路4的按键K1并向单片机U2发送调距请求信号；

步骤3)单片机U2接收调距请求信号并向红外发射管L1发送频率f＝f₀的波形信 号，用以驱动红外发射管L1发射频率f＝f₀的脉冲光；f₀为红外遥控接收模组U1 的中心接收频率；

步骤4)通过红外接收电路2检测反射光并由单片机U2确定是否有被检物5，若 检测不到被检物5，则单片机U2保存原参数退出，说明待设定的有效检测距离d超 出传感器自身的最大量程；若能检测到被检物5，则单片机U2控制改变波形信号的 频率f使其逐渐减小或逐渐增大以偏离中心接收频率f₀，同时不断通过红外接收电 路2检测反射光并由单片机U2确定是否有被检物，直到被检物5不能被检测到， 记录此时的波形信号频率f，该波形信号频率f对应的检测距离即为待设定的有效 检测距离d；

步骤5)单片机U2将与步骤4)中所记录波形信号频率f相对应的参数存储到非 易失性存储单元中，以供正常检测时调用；

步骤6)调距完成，回到正常检测状态。

其中，步骤2)中的按键K1还可向单片机U2发送输出方式切换请求信号，输出 方式切换请求信号和调距请求信号依据按键持续按下时间的长短划分。

当单片机U2接收到输出方式切换请求信号时，如果输出接口电路3的输出方式 为常开状态输出，则切换为常闭状态输出；如果输出接口电路3的输出方式为常闭 状态输出，则切换为常开状态输出。修改后的输出状态保存在非易失性存储单元中。 在本发明中，传感器的接口采用集电极开路输出，生产加工传感器时，输出接口默 认常开输出方式，若想转换为常闭输出方式，可长按下设置键(如持续按键时间超 过10秒)，这时软件系统将自动编程输出接口为常闭输出，按键松开后保存设置参 数，传感器重新初始化设置状态，进入正常检测状态。这种可编程设置传感器接口 输出的方法，即常开输出和常闭输出方式可以相互转换的方法，方便了该传感器的 推广应用。

综上所述，本发明不限于上述具体实施方式。本领域技术人员，在不脱离本发明 的精神和范围的前提下，可做若干的更改和修饰。本发明的保护范围应以本发明的 权利要求为准。