Использование отражательных датчиков в условиях внешней засветки

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2015

Vladimir Rentyuk

EDN

При наличии помех или яркого освещения использование отражательных датчиков в системах идентификации или учета иногда весьма проблематично, или просто невозможно. Приведенная на Рисунке 1 схема демонстрирует недорогое решение этой проблемы для случая трех независимых и работающих одновременно отражательных сенсоров. Схема подходит для многих типов объектов, но в реальном изделии она использовалась с карточками в системе их идентификации.

Рисунок 1.	Инфракрасные датчики и логическая схема обнаруживают наличие объекта.

В схеме использованы три отражательных оптических датчика OPB704 с встроенными ИК-диодами, выходы которых подключены к входам ИМС «2И-НЕ» IC_1A, IC_1B и IC_1C с триггерами Шмитта на входах. На четвертом элементе этой ИМС – IC_1D, выполнен тактовый генератор, сигнал с которого поступает на микросхему IC_6B счетчика-делителя на восемь, делящего сигнал тактовой частоты на четыре, чтобы сформировать опорный сигнал, используемый для обнаружения объекта. Выходной сигнал делителя через буфер IC_3D управляет ключом на транзисторе Q₁. Этот ключ обеспечивает импульсную модуляцию стабильным током ИК-диодов всех трех оптических датчиков (ток задается резистором R6). Длительность этих импульсов не критична, но именно она является базовой для функционирования системы обнаружения.

Чтобы понять, как функционирует схема, рассмотрим ее работу относительно Датчика 2. Выход ИМС IC_1B будет находиться в состоянии логического нуля до тех пор, пока фототранзистор датчика не обнаружит отраженные от объекта ИК-лучи, так как в этом случае оба входа ИМС IC_1B находятся в состоянии логической единицы. Соответственно, и на входе D1 ИМС IC₂ будет логический нуль. При попадании на датчик ИК-импульса, отраженного от объекта, на входе D1 ИМС IC₂ появится уровень логической единицы. Соответствующее этой ситуации состояние входа D1 ИМС IC₂ передается на выход Q1 ИМС IC₂ (вывод 7) по команде записи на входе C (вывод 9). Сигналом записи является передний фронт импульса тактового генератора. Опорный сигнал, полученный делением сигнала тактовой частоты делителем на ИМС IC_6B, поступает на вход D3 ИМС IC₂. Этот сигнал, так же после поступления команды записи на вход C (вывод 9), транслируется на выход Q3 ИМС IC₂ (вывод 15).

Когда фототранзистор датчика обнаруживает отраженный от объекта импульс ИК-излучения, сигналы на выходах Q1 и Q3 ИМС IC₂ будут иметь одинаковую длительность и совпадут по фазе, несмотря на то, что принятый импульс не совпадает с опорным ни по фазе, ни по длительности. Для исключения этих несоответствий выполняется нормализация двух импульсов (Рисунке 2а), которая, собственно, и составляет суть предлагаемого решения. Логический элемент «Исключающее ИЛИ» IC_3B сравнивает сигналы на выходах Q1 и Q3 ИМС IC₂. Если их логические уровни и длительности одинаковы, то на выводе 6 ИМС IC_3B устанавливается низкий логический уровень, разрешающий ИМС IC_5B принимать импульсные сигналы от делителя IC_3B. Если же сигналы на выходах Q1 и Q3 ИМС IC₂ неодинаковы, происходит периодический сброс счетчика IC_5B, и его выход 2Q2 (OUT₂) так и остается в состоянии логического нуля. Логические уровни на выходах Q2 счетчиков IC_5A, IC_5B и IC_6A остаются низкими до тех пор, пока различаются входные сигналы компараторов IC_3A, IC_3B и IC_3C. Такая ситуация возникает, если датчик (в нашем примере Датчик 2) не обнаруживает объект или получает какие-либо внешние сигналы, например, ИК-шум от люминесцентных ламп, засветку от внешнего освещения или переменное по уровню освещение.

Выходы ИМС IC_3A, IC_3B и IC_3C находятся в состоянии логического нуля только тогда, когда фототранзисторы соответствующих датчиков обнаруживают импульсные сигналы от своих ИК светодиодов. В нашем случае – когда карта находится в зоне Датчика 2 (Рисунок 2б). Тактовую частоту вы должны выбирать с учетом общего времени задержки системы. Обратите внимание, что IC₂ (74HC175) управляется передним фронтом, а IC_6B (74HC393) – задним. Благодаря счетчикам эта система автоматически подстраивается после любого изменения частоты тактового генератора.

Рисунок 2.	На приведенных диаграммах показан процесс нормализации (а) и три возможных случая при обнаружении объекта (б, в, г).

Таким образом, если счетчик IC_5B не получает сигнал сброса в течение времени, равного четырем периодам опорного сигнала, на его выходе (вывод 9) установится высокий логический уровень, и это состояние счетчика будет зафиксировано через резистор R₈. Высокий логический уровень на выходе OUT₂ будет сохраняться до тех пор, пока вы не удалите карту. В этом случае будет обнаружено несовпадение сигнала от датчика с опорным сигналом, и счетчик IC_5B получит команду на сброс. На Рисунках 2б, 2в и 2г показаны три типичные ситуации, которые могут возникнуть при использовании представленного устройства. Трасса A на этих трех рисунках изображает опорный сигнал на выводе 9 микросхемы IC_5B.

Рисунок 2б демонстрирует случай нормальной работы без внешних помех. Вы можете видеть результаты сравнения опорного сигнала (трасса C) и сигнала выхода IC_1B (трасса D). До тех пор, пока не появится карта, уровень сигнала на выходе ИМС IC_1B (трасса B) равен логическому нулю. Когда карта входит в зону датчика (трасса B), появляется последовательность нормированных импульсов. После четырех циклов совпадения обоих сигналов выход устройства на выводе 9 ИМС IC_5B (трасса D) изменяет свой логический уровень с низкого на высокий, но немедленно возвращается в низкий, как только вы удалите карту.

На Рисунке 2в показана работа схемы в условиях ИК-шумов. При отсутствии карты сигнал на выходе ИМС IC_1B (трасса B) содержит высокочастотные сигналы от ИК-помех, а при наличии – представляет собой последовательность нормированных импульсов. После четырех циклов обнаружения таких сигналов выход устройства на выводе 9 ИМС IC_5B (трасса D) будет индицировать наличие карты переключением логического уровня с низкого на высокий. Если удалить карту из зоны, то состояние выхода сразу же изменится на низкое.

Рисунок 2г иллюстрирует работу устройства при полной засветке прямым освещением. Вы можете видеть результаты сравнения сигналов. Когда карты нет, сигнал на выходе ИМС IC_1B (трасса B) постоянно будет иметь высокий логический уровень. Когда карта входит зону датчика (трасса B), сигнал представляет собой последовательность нормализованных импульсов. Трасса D, соответствующая сигналу на выходе устройства (вывод 9 ИМС IC_5B), указывает на наличие карты переключением логического уровня с низкого на высокий по завершении четырех циклов обнаружения обоих сигналов. После удаления карты из зоны состояние выхода сразу же изменится на низкое.

Конденсаторы C₁, C₂, и C₃ являются опционными. Они защищают входные цепи от электромагнитных помех, если датчики подключены длинными проводами. Конденсаторы С₉, С₁₀ и С₁₁ обеспечивают надежность работы схемы, защищая счетчики от коротких импульсов. Светодиод D₁ является источником опорного напряжения и одновременно индикатором целостности цепи питания ИК-диодов датчиков.