一种漫反射式光电开关的实现

　　摘要：介绍了一种漫反射式光电开关电路，为了获得较大的探测范围，利用555电路产生1.5KHz调制脉冲和35kHz载频脉冲，接收回路采用集成锁相环路*，确保了电路的抗*力，经调试达到了设计要求。
　　
　　0前言
　　
　　光电开关属于无接触测量传感器，其检测距离范围比较宽，在计数、测距和行程控制等许多测控系统中得到广泛应用。反射式光电开关又分为漫反射和镜反射式光电开关。本文介绍的一种漫反射光电开关电路，它具有抗外光干扰，工作稳定可靠等优点，整套电路由发光电路和光电接收电路两部分组成。
　　
　　1漫反射式红外光电传感器的工作原理
　　
　　红外线光电开关（红外光电传感器）属于光电接近开关的一种。它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其被检物体不限于金属。对所有能反射光线的物体均可检测。因此，红外光电探测器本质上是一个光学一电子系统，其基本功能是将接收到的红外辐射转换成为电信号并加以应用，其探测示意图及工作原理如图l所示。
　　
　　漫反射光电开关（如图1）是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率*时，漫反射式的光电开关是的检测模式。
　　　　对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将是决定接受器接收到光线的强度大小，粗糙的表面反射回的光线必将小于光滑表面反射回的强度，而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。
　　
　　2电路设计
　　
　　红外光电传感器在应用过程中。为了使红外光电传感器能够区分出有效的红外信号及背景环境中的红外辐射从而提供具有良好效果的较大探测范围，发射的红外光束须用频率来调制，接收部分配备对应的频率检波器。所发射的光束可使用连续的单音信号或单音脉冲频率调制信号。调制还可以抑制系统中各个环节的固有噪声和外部电磁场的干扰，使系统具有更高的探测能力。
　　
　　如图2所示。红外光电开关的发射回路由两只555时基电路分别产生1.5KHz调制脉冲和35KHz载频脉冲。由IC1、R1、R2和VD.组成1.5kHz的调制脉冲振荡器。其中VD1是用来调整脉冲周期的占空比的，在C1充电时VD1正向偏置，充电电流由电源→R1→VD1→C1，充电时间常数t1≈R1C1；在C1放电时VD1反向偏置，放电电流由C1≈R2≈7脚≈地，放电时间常数t2=R2C1。由于R2≈3R1，所以得到约1：3的占空比的输出脉冲。
　　　　由IC2、R3、R4及C3组成35kHz地载频脉冲振荡器，该振荡器受IC.的控制，当IC1的3脚高电平时，lC振荡，输出35kHz载频脉冲，当lC1的3脚低电平时，IC停振，无输出。当IC2振荡时，它的输出使晶体管VT1以35kHz的频率导通与截止，并驱动红外发光管HD1发出红外控制脉冲信号。
　　
　　电阻R6把两只红外发光管的驱动电流限制在1A左右，由于所发送的载频脉冲的占空比为1：15，所以这个电路的平均消耗电流仍然较小。
　　
　　IC3为的红外接收前置放大电路uPC1373H。
　　
　　由C6、L1将接收频率调至35kHz，经内部放大及检波后由1脚输出1.5KHz的调制信号。IC4为双D触发器4013组成的双稳触发器，该触发器作分频器，每输人两个脉冲，1脚输出一个脉冲。经过IC4将1.5KHz的调制信号分频后，得到750Hz的脉冲信号。又经VD2、VD3限幅，通过C11耦合到IC5音频译码器LM567。当LM567的输人端3脚输人750Hz的音频信号时，它的输出端8脚输出低电平，经C14、C15将输出脉冲宽度扩展为约1.5秒。即该低电平使驱动管VT2导通，继电器J吸合，控制电路的通与断。
　　
　　3集成锁相环路*LM567功能和特点
　　
　　LM567为8脚直插式封装，其内部结构、引脚定义及外围元件连接方法如图3所示。LM567内部包含了两个鉴相器PD1及PD2放大器AMP、电压控制振荡器VC0等单元电路。鉴相PD1、PD2均采用双平衡模拟乘法器电路，在输入小信号情况下（约几十mV），其输出为正弦鉴相特性，而在输人大信号情况下（几百mV以上），其输出转变为线性（三角）鉴相特性。锁相环路输出信号由电压控制振荡器VC0产生，电压控制振荡器的自由振荡频率（即无91-~n控制电压时的振荡频率）与外接定时元件RtCt的关系式为：fo≈-1/1.1RtCt。
　　　　选用适当的定时元件，可使LM567的振荡频率0.01Hz一500Hz范围内连续变化。电路工作时。输入信号在鉴相器PD1中与VC0的输出信号鉴相，相差信号经滤波回路滤波后，成为与相差成一定比例的电压信号，用于控制VC。输出频率f0跟踪输入信号的相位变化。若输入信号频率落在锁相环路的捕获带内，则环路锁定。在振荡器输出频率与输入频率相同时，二者之间只有一定相位差而无频率差。
　　
　　环路用于FM信号解调时。脚2输出的经过滤波后的相差信号可作为FM解调信号的输出。而当环路用于单音解调时，电路则利用PD2输出的相差信号。PD2的工作方式与PD1略有不同，它是利用压控振荡器输出的信号f0经90°。移相后再与输入信号进行鉴相，是一正交鉴相器。在环路锁定情况下。PD的两个输入信号在相位上相差约为90°。因而PD2的输出电压达到其输出范围内的zui大值。再经运算放大器AMP反相，在其输出端输出一个低电平。AMP的输出端为0C输出方式，低电平输出时可吸收zui大100mA的输出电流。该端口的低电平输出信号除可由上拉电阻转换为电压信号以与TTL或CMOS接口电路相匹配外。还可直接驱动LED及小型继电器等较大负载。
　　
　　4电路调试及实验
　　
　　要达到远距离探测。要求红外发射电路有较大的发射功率。且接收回路对接收到的红外控制信号有一定的聚焦能力。使较分散的红外光束能够聚焦于一个较小的面积。以提高接收功率。因此。红外发射头和接收头均采用透镜封装。为防止外界干扰。接收回路的IC3应该屏蔽。调试时，将接收回路的L1调到35kHz的载频频率谐振点，使IC3输出zui大；将音频译码器LM567的R15调整到使IC3在其3脚输入750Hz的脉冲信号时，8脚输出低电平。即当用发射头向接收回路发送信号时，调整R15能使IC的8脚变为低电平，并使继电器J吸合或断开。反复调节L1和R15使探测距离zui远。实验达到指标识别间距≤0.2m，识别距离0.2—5米可调。