【应用】检测距离可调，基于瑞萨低功耗高性能MCU RL78/G11的安全光幕设计方案

时间： 2018-09-21 来源：Renesas

安全光幕本质上是一种光电器件，可用于保护可能造成伤害的移动机械附近的人员，如液压机，压滤机，包装设备和卷绕机。安全光幕可以替代机械屏障和其他形式的传统机器防护。安全光幕通常会连接到安全继电器，该安全继电器将在检测到物体时及时切断设备动力，避免造成作业人员的人身伤害。安全光幕作为一种光电保护性装置，通常包含发射器和接收器。本文主要介绍了瑞萨的超低功耗微控制器 RL78/G11在安全光幕中的应用，通过PGA，比较器，D/A转换器等功能实现预设的功能。

按照扫描方式划分，安全光幕分为直线扫描方式和交叉扫描两种。其中，直线扫描模式下，MCU每次向发送端和接收端发送相同的通路选择信号，即第一路发第一路收、第二路发第二路收...；而在交叉扫描模式下，单片机每次向发送端和接收端发送不同的通路选择信号。相比之下，交叉扫描模式对物体的高度测量更为精确，但直线扫描模式软硬件设计更为简洁。考虑到实际需求，本方案主要概述直线扫描模式。

图1 安全光幕实物图（左图为无物体进入，右图为有物体进入）

检测原理：
安全光幕包括红外发射器单元和红外接收器单元。红外发射器单元由红外发射二极管组成，红外发射二极管彼此之间的距离相等。红外接收器单元也由红外接收器二极管组成，也采用等距离布置。红外发光二极管和红外接收二极管的数量是相同的，收发的控制主要通过瑞萨的RL78/G11微控制器实现。

发射器单元将一系列同步的平行红外光束投射到接收器单元，当不透明物体中断一个或多个光束时，光幕控制器向受保护机器发送停止信号。发射器单元包含发光二极管，当由光幕的定时和逻辑电路供电时，发光二极管发出不可见红外光脉冲；光脉冲的发射都是有序的，调制后会按照特定的频率脉冲发送。同样的，接收单元中的相应电路被设计成仅检测指定的特定脉冲和频率。这些设计会抑制外部光源的干扰，增强设计安全性和可靠性；安全光幕检测原理如图2所示。其中，红线代表红外线，红线覆盖区域是保护区域。左图是保护区域中没有物体的情况，右图是在保护区域中检测到物体的情况。

图2 安全光幕检测原理图示

调制后的红外信号随着距离的增加而减弱，为了增加检测距离，接收信号将被接收单元中的MCU内部放大器放大。放大的信号将输入到MCU内部比较器，比较器的输出将输入到MCU的外部中断引脚（INTP）。然后程序将监视INTP信号并计算结果。因此，可以通过配置放大器增益和比较器的参考电压来改变检测距离。

扫描时序：
使用8对红外发光二极管和红外接收二极管。红外发光二极管以特定顺序发射红外波（直线扫描模式），并且以相同的顺序接收红外接收二极管。直线扫描模式意味着红外发光二极管将逐一打开，红外接收二极管具有相同的动作。瑞萨RL78/G11微控制器将控制模拟多路复用器以完成扫描任务。

图3 安全光幕的扫描时序图

图4 安全光幕PCB实物图（上为发射器、下为接收器）

硬件设计：

首先明确一下产品设计参数。产品供电电压为24V，保护区域的高度为140mm，检测距离在1~2000mm范围内可调。光轴间隙为20mm，分辨率15mm，响应时间10ms，信号输出类型为NPN型。在硬件设计方面，安全光幕由电源系统，主控MCU，红外发光二极管，模拟多路复用器控制电路等外围元件组成。

图5 安全光幕硬件设计框图

图6 RL78 / G11单片机主控制电路接口原理图（左图为发射器部分，右图为接收器部分）

安全光幕发射器和接收器的电源均为DC 24 V，而瑞萨RL78 / G11单片机工作电压为3.3V，因此需要将DC 24V输入到降压稳压电路，输出3.3V。安全光幕接收器的电源电路如图7所示。

图7 安全光幕接收器的电源电路

红外发射电路由红外发光二极管，NPN晶体管BC817和其他元件组成。红外接收器电路由红外接收二极管，电阻和电容组成。

图8 红外发射器电路（左）红外接收器电路（右）

模拟多路复用器MC14051B已用于确定将选择哪个红外接收器二极管来接收红外信号。安全光幕接收器的模拟多路复用器控制电路如图9所示。

图9 模拟多路复用器控制电路

指示灯LED2由NPN晶体管BC817和限流电阻R14，R17控制。 LED2用于指示保护区域中是否存在物体。如果在保护区域中检测到物体，则LED2将熄灭，否则LED2将亮起。另外，在安装安全光幕时，请确保每组红外发光二极管和红外接收二极管对齐，上电后LED2将亮。安全光幕接收器的LED控制电路如图10所示。

图10 安全光幕接收器的LED控制电路

安全光幕接收器的外部继电器接口电路如图11所示。JMP1可以连接一个由NPN晶体管BC817控制的外部继电器。外部继电器用于控制受保护设备的电源或工作模式。

图11 安全光幕接收器的外部继电器接口电路

软件设计：

图12 发射器软件设计流程图

图13 接收器软件设计流程图

（1）安全光幕发射器和接收器安装在工作台上，确保每组IR（红外）发光二极管和IR接收器二极管必须对应放置。
（2）用连接电缆连接发射器和接收器。在JMP1上放置一个24V继电器，以控制受保护设备的电源或工作模式。
（3）连接外部电源（+ 24V DC）并接通电源。
（4）上电后，如果安装正常且保护区域内没有物体，指示灯LED2将亮起。
（5）在正常工作条件下，如果在保护区域内检测到物体，LED2将熄灭，外部继电器控制端口将输出OFF信号以关闭保护设备，或停止保护设备。如果没有检测到物体，LED2将保持亮状态，外部继电器控制端口将输出ON信号以维持电源或保持设备处于工作状态。

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全部评论（2）

Clarence Lv8. 研究员 2018-10-18

学习
醉卧美人膝 Lv8. 研究员 2018-09-27

图文并茂，很详细啊

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