项目二光电传感器应用

项目二光电传感器应用

任务二工件靠近检测

任务一自动语音迎宾

自动化控制元件及应用高等教育出版社

任务三工件计数

任务四工件色差检测


【知识要点】


【任务引入】

【任务要求】

【任务分析】

【任务实施】

【相关知识】

【任务拓展】

【任务测评】

【任务评价】


【知识要点】

1.了解热释电红外传感器的功能与参数。

2.掌握热释电红外传感器模块的引线及其功能。

3.学会如何调节热释电红外传感器的灵敏度。

4.了解热释电红外传感器使用注意事项。


在各种商场、超市、个体精品店、照相馆、眼镜店、玩具店等各种店面，其门口经常会放置一个自动语音迎宾器 ( 如图 2-1-1) ，当顾客进门或从店面走过时，迎宾器就会说“你好，欢迎光临”。不仅礼貌，给人尊重感，主动打招呼的热情感觉，而且给人以强烈的好奇心和趣味性，也使顾客感受到了店主的热情，有一种受到重视的感觉，瞬间轻松了气氛。这种迎宾器也可在家庭或办公室作为感应门铃使用，只要客人进门光临，就会主动跟客人打招呼，活泼有趣。还能起到一定的防盗作用，当有窃贼偷窃商店或居室时，刚到门口就听到里面“你好，欢迎光临”的真切女声，本来胆怯的窃贼马上拔腿就跑。

【任务引入】


图 2-1-1 常见的红外线迎宾器外观

【任务要求】

本任务要求设计一款自动语音迎宾器，在系统通电的情况下，当有人在其前方经过时，迎宾器就会说“你好，欢迎光临”。


【任务分析】根据任务目标，迎宾器在有人经过的时候就会说“你好，欢迎光

临”。其实就是要检测人体的活动，当有人体在其前方活动时，发出控制信号让音乐集成电路工作，驱动扬声器发出声音。要检测人体的活动，一般有两种方法，一是使用光敏电阻来检测光照强度的变化。因为当环境中有光源照射光敏电阻情况下，人体的活动会阻挡光线，引起光敏电阻的光照强度变小，导致光敏电阻的阻值变大。系统通过检测光敏电阻的阻值的变化则可以判断是否有人在前方活动。这种控制电路比较简单，成本较低，但必须在应用的环境有其它的光源支持，也容易引发误动作。比如自然光线的变化、风吹动窗帘、室内灯光的变化也可能引起控制电路触发语音发声。第二种方法是采用被动式热释电红外传感器来检测人体发出的红外线。热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器，它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。在工作过程中不需要用灯光、红外线或电磁波等发射源，受环境的干扰较小，本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小、价格低廉。还具有灵敏度高、感应范围大、隐蔽性好、性能稳定等优点。所以本任务选取热释电红外传感器来检测人体的活动比较合适。


人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10微米左右的红外线，被动式热释电红外传感器就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。如图 2-1-2所示就是一种常用的双元热释电红外传感器。采用双灵敏元设计，抑制环境温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。


图 2-1-2 热释电红外传感器

热释电红外传感器的输出信号还需要经过信号放大电路、电压比较器、延时电路才能输出到入下一级电路去控制应用。在传感器的前方还需要一个菲涅尔透镜来将红外线进行聚焦。为了方便搭建红外感应的电路，一些厂家利用热释电红外传感器设计生产出红外感应模块，如 HC-SR501 ，其性能稳定，经济好用。 HC-SR501模块接口简单，只有三个针脚。分别是 5V 电源、输出端、接地端。在静态时输出端输出低电平，当检测有到人体活动时，输出端输出高电平，并能保持一段时间。如图 2-1-3 所示，分别是盖上和揭下菲涅尔透镜的 HC-SR501模块。从右方的图片可见，该模块安装在菲涅尔透镜下面的是一只 LHI778 热释电红外传感器。


图 2-1-3 盖上和揭下菲涅尔透镜的 HC-SR501模块

迎宾器的语音功能可用音乐芯片来实现，为了简化接线，可选取内置了输出放大功能的音乐芯片。此类音乐芯片无需任何外围元件即可驱动扬声器发声。如图 2-1-4所示，音乐芯片的输出端直接连接到小功率扬声器，只需接上 3至 4.5V 的直流电源，就会发出“你好，欢迎光临”的声音。当断开电源再重新接上后，会重新发出声音。 HC-SR501模块在触发后输出的高电平不能提供足够的电流作为音乐芯片的工作电源，则需要一只 9014三极管将电流放大，当模块输出高电平时， 9014三极管导通，音乐芯片就能发出声音。


图 2-1-4 音乐芯片与小功率扬声器

完整的电路图如图 2-1-5所示，为了更好地观察电路的工作情况，在电路上加上发光二极管 D2 和限流电阻 R2 。用作触发指示，即当人体红外热释电模块检测到有人体活动时，输出高电平， D2 就相应发光。


图 2-1-5 热释电红外线迎宾器电路图

+5VOUTGND

U1 HC-SR501

人体红外热

释电模块

12345

U2

D11N4148

VCC +5V T19014

4.7KR1

B18Ω 0.2w

470R2

D2

音乐

芯片

虽然本电路比较省电，但由于需要长时间自动工作，所以本迎宾器不适宜采用干电池供电，而更适宜采用交流电经变压整流后产生的低压直流电供电。

除了能用于语音迎宾器以外，热释电红外传感器还常用于安防报警器中。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。



【任务实施】

1.连接电路

4.安装固定

3. 调节延时时间

2.调节传感器的灵敏度

5.实验结果

6.元器件选择


1．连接电路按图 2-1-5连接电路，可将除 HC-SR501模块外的元器件安装焊接到一块 5CM X 7CM 的万能板上，再引出三条线，连接到 HC-

SR501模块。

图 2-1-5 热释电红外线迎宾器电路图

+5VOUTGND

U1 HC-SR501

人体红外热

释电模块

12345

U2

D11N4148

VCC +5V T19014

4.7KR1

B18Ω 0.2w

470R2

D2

音乐

芯片


2. 调节传感器的灵敏度如图 2-1-6所示，将 HC-SR501模块反过来背面朝上，可以看到模块在同一边缘有两个电位器，用于调节传感器的灵敏度与延时时间。其中左方电位器的用于调节灵敏度，右方的用于调节延时时间。调节灵敏度时，顺时针方向旋转是调高灵敏度，反之则是调低灵敏度。因为迎宾器一般安装在门口，需要的感应距离不需要很大，则将灵敏度调整至中等程度即可。

图 2-1-6 HC-SR501模块背面


3. 调节延时时间当迎宾器感应到有人在前方走动时，可能感应到红外线的时间比较短，不足以维持音乐芯片完整输出整句“你好，欢迎光临”， HC-

SR501模块用延时功能来解决这个问题。即在感应到人体活动后能保持输出高电平一段时间，然后再回复到低电平的静态输出状态。在图2-1-6所示的 HC-SR501模块中，调节右方的电位器来调整延时时间。顺时针调节电位器，可以加长延时时间，反之则缩短延时时间。调节时可用左手在传感器前方挥动来触发传感器，此时 LED 灯会变亮，在触发后马上将手放回传感器后方，并保证前方无他人或本人的身体，模块就进入延时状态， LED 灯会在一段时间后自动熄灭。通过多次的调节，将延时时间调整到 5秒左右。


5. 实验结果在电路通电一分钟后，感应模块初始化完成。当有人在感应模块前横向走动时，迎宾器就会发出“你好，欢迎光临”的声音，同时 LED发光。人离开后， LED 能发光 5秒后自动熄灭。


6.元器件选择

器件名称型号参数备注

热释电红外传感器模块 HC-SR501

DC 5-20V 65μA(静态 )

音乐芯片 D91118 DC 3-4.5V

【相关知识】

一、热释电效应


当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。

二、热释电红外传感器的原理特性


热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为 0.

2～ 20μm 。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。

二、热释电红外传感器的原理特性


热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达 104MΩ 。故引入的 N沟道结型场效应管应接成共漏形式（即源极跟随器）来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。


图 2-1-7 是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时 D

端接电源正极， G端接电源负极， S端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。

滤光片双探测元 D

S

G

+_

+_

图 2-1-7 双探测元热释电红外传感器结构示意图


热释电红外传感器只能安装在室内，其误输出率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：

1. 热释电红外传感器应离地面 2.0～ 2.2米。2. 热释电红外传感器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较

敏感的地方。3. 热释电红外传感器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他

隔离物。4. 热释电红外传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走

动会引起误输出，有条件的话最好把窗帘拉上。另外，热释电红外传感器也不要安装在有强气流活动的地方。

热释电红外传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。热释电红外传感器对于径向移动反应最不敏感 , 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向 )移动则最为敏感 . 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

三、菲涅尔透镜


人体辐射的红外线需要通过菲涅尔透镜来聚焦在热释电红外传感器的探测元上。菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在热释电红外传感器上，第二个作用是将感应区内分为若干个明区和暗区，使进入感应区的移动物体能以温度变化的形式在传感器上产生变化热释红外信号，这样传感器就能产生变化的电信号。

【任务拓展】


本任务的语音迎宾器也可以改装成红外报警器，只须将音乐芯片电路换成继电器，再驱动高分贝的报警喇叭即可。为了达到较好的报警效果，应该仔细调整好灵敏度，以免容易产生误报。还要将延时时间调长一些，如达到几分钟，提醒安防人员注意。

【知识测评】


1. 热释电红外传感器具有什么功能？它是工作原理

是什么？

2. HC-SR501模块具有什么特点？当其感应到人体

活动时，输出高电平还是低电平？

3. 如何调节 HC-SR501模块的灵敏度与延时时间？

【任务评价】


任务要求分值评分标准

学生自评

小组互评

教师评价

任务总评

了解热释电红外传感器的工作原理

10

能叙述热释电红外传感器的工作原理

掌握HC-SR501模块的接口针脚功能

20

能分辨三根针脚的功能

连接电路 30独立连接好整个电路

学会如何调节HC-SR501模块的灵敏度与延时时间

20

掌握调节灵敏度与延时时间的方法。灵敏度调整到中等程序，延时时间调整大约5 秒。

安全操作 10

工具使用、仪表安全

现场管理 10

出勤情况、现场纪律、协作精神

【知识要点】


【任务引入】

【任务要求】

【任务分析】

【任务实施】

【相关知识】

【任务拓展】

【任务测评】

【任务评价】



【知识要点】

1.了解反射式光电传感器的功能与参数。

2.掌握光电传感器的引线颜色及其功能。

3.学会如何调节光电传感器的灵敏度。

4.了解反射式光电传感器使用注意事项。


【任务引入】


在生产流水线上经常需要进行产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测。例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等，如图 2-2-1 、图 2-2-2所示，这些均要求在检测过程中不能接触产品或靠得过近，就需要反射式光电传感器来完成其检测。

反射式光电传感器

图 2-2-1 自动化生产线图 2-2-2 瓶子灌装检测示意图

【任务要求】


本任务要求当工件靠近某个检测点时，系

统发出报警声。要求工件距离传感器 3cm ，

若工件距离传感器超过 5cm ，则停止报警。

【任务分析】


要检测工件的靠近与否，需用到一只靠近传感器来检测。常用的反射式光电传感器可分为“不带开关功能”与“带开关功能”两类，如图 2-2-3与图 2-2-4所示。在没有确定工件的材质的前提下，为了减小电路的复杂程度与提高可靠性，选用一只圆柱形的“带开关功能”的反射式光电传感器。

图 2-2-3 不带开关功能的反射式光电传感器图 2-2-4 带开关功能的反射式光电传感器

【任务分析】


当工件靠近时，可选用蜂鸣器来报警。在工控场合下使用的光电传感器与蜂鸣器通常采用直流 24V 作为工作电压，蜂鸣器的工作电流一般只需几十mA ，而光电传感器输出端的开关管在导通情况下，电流可达 200mA ，则可由光电传感器直接驱动蜂鸣器，光电传感器驱动蜂鸣器电路如图 2-2-5所示。

S1

+24V

B1

棕黑

蓝

图 2-2-5 光电传感器驱动蜂鸣器电路图

【任务实施】

1. 安装传感器


光电传感器的外壳为带螺纹的金属外壳，

通过旋转两个六角形螺母可将光电传感器固定

在安装孔上，并能调节传感器的伸出长度。

2. 连接电路


按图 2-2-5连接电路，该反射式光电传感器的引线共有三条，表皮颜色分别为棕、黑、蓝。其中棕色线用于连接电源，蓝色线接地，黑色线是输出端。

S1

+24V

B1

棕黑

蓝

图 2-2-5 光电传感器驱动蜂鸣器电路图

3. 调节传感器的灵敏度


接好电路后，为了保证电路的稳定性与检测效果，还需要调节光电传感器的灵敏度。在光电传感器的后端有一只红色发光二极管与一颗一字螺钉，如图 2-2-6所示。红色发光二极管用于显示光电传感器是否导通，作为输出指示，而一字螺钉用于调节光电传感器的灵敏度。在电路通电的情况下，将工件放到光电传感器前端，并按要求保持一定的距离（ 5cm ）。用小型一字螺丝刀先将光电传感器的调节螺钉按顺时针及逆时针两个方向依次慢慢旋动，令红色发光二极管刚好由熄灭变成点亮，此时蜂鸣器应该发出报警声。

图 2-2-6 光电传感器的后端

4. 实验结果


工件在 1cm至 5cm 内可令光电传感器导通，若将工件移动至 5cm 以外，发光二极管会熄灭，报警声停止。需要注意的是，当工件靠得太近的时候（一般是小于 1cm），传感器不会导通。所以调节灵敏度的时候，工件不能贴着光电传感器或靠得太近，为了保证工件与传感器保持一定距离避免相互碰撞，本任务将被测件与工件的距离设置为 3cm（报警） , 停止报警设置为大于 5cm 。

5. 元器件选择参考



反射式光电传感器

GO12-MDNA-A

( 上海通尔 )

DC 10-30V 200mA(最大

导通电流 ) 亚龙 YL-235A平台上使用该两

种器件蜂鸣器

SFM-PS25( 乐清市三力机电 )

AC/DC 24V 50/60Hz

【相关知识】一、光电开关


带开关功能的光电传感器又称光电开关，光电开关常被用来检测物体的有无、通过与否以及是否有标记等，也有的厂家称光电开关为电眼。光电开关分有反射式、对射式、镜面反射式等。

反射式光电传感器是将红外发光管和硅光敏三极管等，以相同的方向装在支架上，实物图如 2-2-7所示。当红外发光管通电发光时，光通过工件反射到硅光敏三极管窗口上，使硅光敏三极管导通，从而有一定的电流输出，以此检测物体的有无，适用于光电接近开关、光电自动控制、物体识别等方面。

图 2-2-7 反射式光电传感器探测头实物图


由图 2-2-8 的光路可看出，当工件靠得太近，发光管发出的光线是无法通过工件的漫反射进入光敏管。因而一般的反射式光电传感器的检测范围在 1cm至 10cm之间。

反射式光电开关如果使用配套的镜面反射板，则为镜面反射式光电开关，发光管发光，照射到对面的反光板，如果没有物体阻拦光线，则光敏管可以接收返回来的光线，如果有物体在反光板与传感器中间通过，则收不到返回的光信号，内部电路输出的电平发生高低变化（高阻或低阻状态），它可以实现较远距离内物体的检测，检测不透明的、透明的和半透明的物体。

工件

漫反射发光管

光敏管

探测头

图 2-2-8 反射式光电传感器光路图


对射式光电开关的发光管和光敏管分别被放置到相对的位置，当有物体通过发光管和光敏管之间的空间时，发光管的光线被阻拦，光敏管接收不到发光管射来的光线，光电开关的内部电路输出高电平或低电平（高阻或低阻状态）信号，它既可以做成远距离的红外开关，也可以做成小型的槽形开关。

光电开关发出的光有红外光、红色光、绿色光、蓝色光或激光等，人眼不一定都可以看见发出的光线。

二、反射式光电传感器使用注意事项


1.反射取样式光电传感器的工作原理是传感器红外发射管发射出红外光，接收管根据反射回来的红外光强度大小进行计数，故被检测的工件或物体表面必须有黑白相间的部位用于吸收和反射红外光，这样接收管才能有效的截止和饱和达到计数的目的。所以在选择工作点、安装及使用中关键是接收管必须工作于截止区和饱和区。

2. 光电传感器的前端面与被检测的工件或物体表面必须保持平行，这样光电传感器的转换效率最高。

3. 光电传感器的前端面与反光板的距离保持在规定的范围内。 4. 光电传感器必须安装在没有强光直接照射处，因强光中的红外光将影响接收管的正常工作。

5. 光电传感器在具体的工作环境中最佳工作状态的参数选择方法：根据实际的检测距离选取光电传感器的型号。


光电传感器的带载能力有限，一般不能大于 200mA 。在需要驱动较大的负载或较复杂的自动控制系统中，可将光电传感器接到继电器或可编程控制器来使用。在了解继电器的工作原理后，试将本任务中的蜂鸣器换成继电器，然后再驱动工作电压为 220V 的单相交流电机，画出其电路图并观察记录控制结果。

【任务拓展】


1. 反射式光电传感器具有什么功能？ 2. 带开关功能的反射式光电传感器的引线

有三种颜色？其功能分别是什么？ 3. 如何调节反射式光电传感器的灵敏度，令工件在 1cm至 5cm距离时能使传感器导通？

【知识测评】


【任务评价】

任务要求分值评分标准学生

自评小组互评

教师评价

任务总评

了解反射式光电传感器的功能与参数 10

能叙述反射式光电传感器的功能与参数

掌握光电传感器的引线颜色及其功能 20 能分辨三根引线的功能

连接电路 30 独立连接好整个电路

学会如何调节光电传感器的灵敏度 20

能调节灵敏度，令工件在3cm到 5cm距离时导通

安全操作 10 工具使用、仪表安全

现场管理 10出勤情况、现场纪律、协作精神


【知识要点】


【任务引入】

【任务要求】

【任务分析】

【任务实施】

【相关知识】

【任务拓展】

【任务测评】

【任务评价】

【知识要点】

1.了解对射式光电传感器的功能。2.了解红外对管的工作原理。3.掌握红外线发射管所发射红外线信号的波长与载波频率。4.掌握一体化红外接收头的引脚功能与输出信号的特点。



在现代工业生产中，提供准确的原材料或成品的数量是比较关键的问题。如果采用人工统计工件的数量，这种计数方法不仅需要花费大量的人力和时间，而且存在计数错误率高、工作效率低、不能实时反映计数值、不利生产管理等缺点。采用对射式光电传感器来对工件进行计数是现代工业中常用的方法。

【任务引入】


本任务要求利用对射式光电传感器设计一个两位数字的自动计数器，用于对传送带上的工件进行计数。上电后显示计数值为 0 ，当有工件从对射式光电传感器中间经过时，计数器自动加 1 。当计数到最大值 99后，再有工件经过，则加 1

后的显示值为 0 。计数器还应该有清零功能，即按下清零按键，显示值回复到 0 的状态。

【任务要求】


【任务分析】


传送带上应用的对射式光电传感器对对射距离的要求不大，在众多的对射式光电传感器当中，性能稳定而且成本最低廉的就是红外对管。红外线的发射有两种模式，一是保持红射发射管流过恒定的直流电流，一直发射红外线。接收方采用红外线接收管，当接收管接收到红外线时表示没有工件经过，当接收管没接收到红外线时表示有工件正在经过，阻挡了红外线。这种模式只适合于对射距离小于几 CM 的情况，而且容易受到外界的干扰，不适合在传送带上应用。另一种模式是发射管的输入信号是 38KHz 的载波信号，接收方采用一体化的红外接收头。当一体化接收头接收到经载波调制的红外线信号时，就输出低电平，反之输出高电平。这种模式工作比较稳定、抗干扰能力强，而且对射的距离较大，可以达到十几米，适合本任务的要求。


红外发射管发出的红外线有多种波段，而 940纳米波长的主要用于红外线控制设备，也是最常见的，较容易购买得到，一般家电遥控器中的红外发射管就是采用 940纳米波长。一体化红外接收头可选用 TL1838（如图 2-3-1所示），也可选用其它厂家生产的 1838接收头，只是开头的两个英文字母有所不同。也可选用 0038， 0038 的接收距离比 1838稍短，仍可以满足本任务的需要。

图 2-3-1 TL1838 一体化红外接收头


38KHz载波信号的产生、计数累加与清零、显示控制这三个功能可由一块 AT89C2051 单片机完成。

数码管选用工作电压为 3V左右的两位小型数码管。在数码管的公共端串接几个二极管，就可以将 5V 电源降压到 3V左右，就不必为数码管内的每个发光二极管串接限流电阻，大大简化了数码管的驱动电路。完整的电路图如图 2-3-2所示：

RST1

P3.0(RXD)2

P3.1(TXD)3

XTAL24

XTAL15

P3.2(INT0)6

P3.3(INT1)7

P3.4(T0)8

P3.5(T1)9

GND10

P3.711

(AIN0)P1.012

(AIN1)P1.113

P1.214

P1.315

P1.416

P1.517

P1.618

P1.719

VCC20

U1

AT89C2051

A1

f2

g3

e4

d5

A6

c8

DP7

b9

a10

DS1

Dpy Amber-CA

A1

f2

g3

e4

d5

A6

c8

DP7

b9

a10

DS2

Dpy Amber-CA

T19014

T29012

D1

1N4148

D2

1N4148

D3

1N4148

D4

1N4148

4.7K

R2

1 2

X112MHz

20pFC1

20pFC2

VCC +5V

VCC +5V

10uFC3

10KR1

K1

D5

470R3

123

U2

TL1838

图 2-3-2 工件计数器的完整电路图


单片机 AT89C2051 通过内部定时器产生一个 38KHz 的载波信号从 P3.0脚输出到红外发射管 D5 上。 D5 的另一脚通过一个 470Ω 的限流电阻接到 5V 电源，则 D5 可以一直发送38KHz 的红外线信号。 1838接收头的输出信号输入到单片机的 P3.2脚，当工件离开红处对管时，会在 P3.2脚产生一个下降沿，触发单片机响应外部中断 0 ，程序会对计数值进行加一处理。当按下 K2按键，会触发单片机响应外部中断 1 ，程序会对计数值进行清零。单片机从 P1端口的八只管脚输出段码到数码管，由 P3.7 输出位选通信号。当 P3.7 输出高电平时， T1 导通， T2截止，十位上的数码管显示段码，个位上的数码管熄灭；当 P3.7 输出低电平时， T1截止， T2 导通，个位上的数码管显示段码，十位上的数码管熄灭。以这种动态方式驱动两全数码管来显示计数值。

一般来说，单片机应用电路的调试过程，需要多次进行烧写程序到芯片上。为了方便单片机芯片 89C2051 能拆下来放到编程器上去烧写程序，应该为其加上 IC座。


【任务实施】1. 连接电路

按图 2-3-2 的电路图在一块万能板上连接好电路，用两条导线将红外发射管引出来，放在 TL1838 前方成对射状。图 2-3-3 就是一块已焊接好的电路实物，右下方的红外发射管通过两条导线连接到板上。

图 2-3-3 工件计数电路实物


2. 单片机编程与仿真在单片机编程开发软件 Keil 中建立一个新工程，输入程序并编

译，则可以得到一个 *.hex文件。通过支持 Atmel89C2051 单片机的编程器即可将 *.hex烧写入芯片，图 2-3-4 就是一款常见的编程器。

图 2-3-4 单片机编程器


为了方便调试程序，还可以在 Proteus 内进行 89C2051

单片机电路的仿真，本任务的仿真电路图如图 2-3-5所示。为了提高仿真的速度，两位数码管的公共端控制电路被一只非门取代。而红外对管的仿真器件内，红外发射管的负极接地，与实际电路不一致。实际电路是经限流电阻连接 5V 电源的，所以在仿真电路中串接一个非门，保证了在 P3.0 输出低电平时，红外发射管能发出红外线。在些非门与 P3.0之间，还串接了一只开关 K2 ，用以模拟红外发射管与接收管之间是否有工件阻挡红外线。当 K2接通时，发射管能发出红外线，相当于实际电路中没有工件阻挡。当 K2 断开时，发射管不能发出红外线，相当于实际电路中有工作阻挡了红外线。在 Proteus绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件 *.HEX 并运行仿真，可以在 Proteus 的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。


K1

Demodulator

IRL1

IRLINK

R110k

XTAL24

RST1

P1.012

P1.113

P1.214

P1.315

P1.416

P1.517

P1.618

P1.719

P3.2/INT06

P3.3/INT17

P3.4/T08

P3.5/T19

P3.0/RXD2

P3.1/TXD3

P3.711

XTAL15

U1

AT89C2051

K2

图 2-3-5 Proteus中的工件计数器仿真电路


3. 实验结果

电路上电后，数码管应该显示“ 00” ，当有东西在中间阻挡并移开时，数码管的数值就增加 1 。程序带有输入去抖动功能，提高计数的稳定性。阻挡红外线的时间不可过短过快，过快的话单片机会当成是抖动信号忽略掉而不进行计数。实验时可以用人手或书本代替工件在对射式传感器中间进行阻挡。按下按键 K1后，计数值会清零，重新显示为“ 00” 。




红外发射管 940纳米 Φ5 5mA

一体化红外接收头

TL1838

38KHz 载波塑封带铁壳


【相关知识】一、红外线简介

在光谱中波长自 0.76至 400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（ -273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。

红外线发射管在 LED封装行业中主要有三个常用的波段，如下 850纳米、 875纳米、 940纳米。如图 2-3-6所示就是常见的红外线发射管，可见跟一般的发光二极管的外观是一样的。根据波长的特性运用的产品也有很大的差异， 850NM 波长的主要用于红外线监控设备， 875纳米波长的主要用于医疗设备， 940纳米波长的主要用于红外线控制设备。例如：红外线遥控器、光电开关、光电计数设备等。

图 2-3-6 红外线发射管


二、红外对管

红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。

1．光敏接收管它是一个具有光敏特征的 PN结，属于光敏

二极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。此时光敏管不导通。当光照时，饱和反向漏电流马上增加，形成光电流，在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。

2．红外线接收管红外线接收管的功能与光敏接收管相似，只

是不受可见光的干扰。其感光面积大，灵敏度高，属于光敏二极管，一般只对红外线有反应，其实物图如图 2-3-7所示。

图 2-3-7 红外线接收管


三、一体化红外线接收头　　采用小型设计、内屏蔽模块封装，可以做红外线

解码实验，红外线遥控器等等。配合遥控器完成遥控解码及红外遥控实验。在红外遥控系统中作为接收元件广泛应用于视听器材（如 VCD、 DVD、 DVB、 TV 等）、家庭器材（如冷气机，电风扇、电灯等）、红外线摇控（如玩具等）。　　金属封装红外线接收管 ,适用于各类光电转换的

自控仪器 , 传感器 . 各类光电检测器的信号光源 . 根据驱动方式可获得稳定光 .脉冲光 ,缓变光 . 常用于控制 ,报警等方面 . 持点 ; 采用反射功能的结构形式 , 光功率较强 , 低驱动电压 , 易与晶体管电路匹配 .结构坚固耐震 .可靠性高 .金属玻璃封装器件 ,耐磨耐温性好 .　　接收器对外只有 3 个引脚： Out、 GND、 Vcc

与单片机接口非常方便。　　管脚 1：脉冲信号输出接，直接接单片机的 IO

口　　管脚 2： GND接系统的地线（ 0V）管脚 3： Vcc接系统的电源正极（ +5V）

图 2-3-1 TL1838 一体化红外接收头


【任务拓展】为方便学生进行制作实验，本任务的计数器只设计了两位十

进制计数，在实际的应用中往往需要更多的十进制数位。从图 2-

3-2 可知，所用的 AT89C2051 还有三个端口是悬空未使用的，即P3.1、 P3.4和 P3.5 。通过增加使用这三个端口和修改单片机的程序，可方便地将电路扩展到 4位十进制显示。若果加入一块地址解码芯片 74HC154 ，则可扩展到 16位十进制位的显示。但是会加大编程的难度，并且由于采用动态输出方式，过多的数码管会令显示效果变差，显示亮度变低、看起来有闪烁感。另一种方法是将原电路其中一个悬空端口设计成进位信号输出口，当计数值从“ 99”向“ 00”跳变时，会输出一个进位信号。将多个有进位功能的两位计数器进行级联，就可以实现更多十进制位的计数了。


【知识测评】1. 对射式光电传感器具有什么功能？2. 本任务中所选取的红外发射管的波长是多少？

3. 为什么发射管的输入信号采用 38KHz 的载波信号而不直接用直流信号？


【任务评价】

任务要求分值评分标准学生

自评小组互评

教师评价

任务总评

了解对射式光电传感器的工作原理 10

能叙述对射式光电传感器的工作原理

掌握一体化红外接收头的引脚功能 10 能分辨三根引线的功能

连接电路 40 独立连接好整个电路

学会如何将单片机程序烧写到芯片内 20

能将单片机程序烧写到芯片内

安全操作 10 工具使用、仪表安全

现场管理 10出勤情况、现场纪律、协作精神


【知识要点】


【任务引入】

【任务要求】

【任务分析】

【任务实施】

【相关知识】

【任务拓展】

【任务测评】

【任务评价】

【知识要点】

1.了解光纤式光电开关的功能与参数。

2.掌握光纤式光电开关的引线颜色及其功能。

3.学会如何调节光纤式光电开关的灵敏度。

4.了解光纤式光电开关的工作原理。



颜色及色差是许多工业部门产品质量检测与监督的重要指标，通常可以根据检测颜色或色差来判别产品的质量或是否达到工艺要求。按照国际照明委员会（ CI

E）的推荐研制开发的测量仪器主要可分为色度计和色差计两大类。最常见的工作方式是光电积分式，几乎所有的色差仪都是将光源、光电探测器、积分球紧凑的安置在一起，这种结构存在一些固有的缺陷，如光源发热对探测器的影响，环境光对测试精度的影响等。利用光纤传感测量颜色和色差是 80年代以后才出现的检测方法，由于检测部分 ( 光纤 ) 中完全没有电气部分，所以耐干扰等耐环境性良好。

【任务引入】


【任务要求】

本任务要求为某自动化生产设备的传送带设计一个计数器，对其中的白色工件进行计数。该传送带仅传送黑色与白色两种工件，黑色工件与白色工件的大小一致。


【任务分析】黑色与白色工件的大小一致，那么可以通过判别其色差来分辨两

种工件。目前自动化设备上较常用的传感器是光纤式光电开关。如图2-4-1所示，是一款欧姆龙 E3X-NA11 ，它可以通过判别被测物体表面对红色光的反射率不同，对检测物体的颜色进行检测。


图 2-4-1 欧姆龙E3X-NA11

【任务分析】

黑色工件几乎能完全吸收投射到它表面上的红色光线，甚少红色光线会经光纤返回到传感器内部；白色工件对红色光线的反射能力很强，有较多的红色光线能返回到传感器内部。则传感器将返回的红色光信号转化为电信号后，经放大与电压比较，可输出不同的输出信号。黑色工件会令光纤式光电开关传感器输出断开信号而白色工件会令传感器输出接通信号。

要实现计数功能，可继续使用上一个项目中的单片机电路，程序也可以照用原来的程序而不必改动。舍弃原来的红外发射管电路及一体化红外线接收头，而是将光纤式光开关的输出信号通过转换输入到单片机的 P3.2端口。


由于传感器需要 24V 的工作电压，单片机的工作电压又仅为 5V ，则无法直接将传感器的输出信号直接输入到单片机中。为了解决电压的不同，减小相互的干扰，可用 TLP521-1 光电耦合器将传感器输出的信号耦合到单片机的输入管脚中。完整的电路图如图 2-4-2所示。


S1

+24V

棕黑

蓝

U2

TLP521-1

1KR3

10KR4

RST1

P3.0(RXD)2

P3.1(TXD)3

XTAL24

XTAL15

P3.2(INT0)6

P3.3(INT1)7

P3.4(T0)8

P3.5(T1)9

GND 10

P3.711

(AIN0)P1.0 12(AIN1)P1.1 13P1.2 14P1.3 15P1.4 16P1.5 17P1.6 18P1.7 19

VCC 20

U1

AT89C2051

A 1

f2

g3

e4 d5

A 6

c8

DP7

b9 a10DS1

A 1

f2

g3

e4 d5

A 6

c8

DP7

b9 a10DS2

T19014

T29012

D1

1N4148

D2

1N4148

D3

1N4148

D4

1N4148

4.7K

R2

1 2

X112MHz

20pFC1

20pFC2

VCC +5V

VCC +5V

10uFC3

10KR1

K1

图 2-4-2 工件色差检测完整电路图

【任务实施】

1. 安装传感器采用新方式的接插件式底座，直接将传感器压入卡槽即可固定。


2. 连接电路按图 2-4-2连接电路，欧姆龙 E3X-NA11 是通用型传感器，跟

任务二的反射式光电传感器的引线是一样的，共有三条，表皮颜色分别为棕、黑、蓝。其中棕色线用于连接电源，蓝色线接地，黑色线是输出端。

3. 调节传感器的灵敏度将光纤式光电开关接通电源后，其面板上的绿色指示灯变

亮，表示传感器上电正常。将黑色工件放到探头的前方，用一定螺丝刀来回旋动调节灵敏度旋钮，令传感器刚好从断开输出变成接通输出，记下此时灵敏度指示器上指针的位置为 A点。换上白色的工件，同样调节灵敏度旋钮，令传感器刚好从断开输出变成接通输出，记下此时灵敏度指示器上指针的位置为 B

点。将灵敏度旋钮设定在 A点和 B点的中间，则传感器可以稳定正确地判别出黑色与白色的工件，检测黑色工件时断开输出，检测白色工件时接通输出。


4. 实验结果

电路上电后，数码管应该显示“ 00” ，当有白色工件被传送带移动到光纤探头前方时，数码管显示的数值就增加 1 ，当有黑色工件移动到光纤探头前方时，数码管显示的数值无变化。按下按键 K1后，计数值会清零，重新显示为“ 00” 。





光纤式光电开关

OMRON E3X-NA11

( 欧姆龙 )

DC12～ 24V负载电流：50mA 以下光电耦合器也可选

用 TLP521-2或TLP521-4 中的其中一对

光电耦合器 TLP521-1DIP 双列直插

式封装

【相关知识】一、光纤式光电开关 : 欧姆龙 E3X-NA11

欧姆龙 E3X-NA11 是通用型传感器，工作电压是 DC12～ 24V ，输出方式是 NPN 集电极开路输出，最大的负载电流是 50mA 。带高灵敏度手动调节式光纤放大器，面板上有直接观测光量变化的 LED 光量条显示，采用新方式的接插件式底座，安装与调整传感器的位置都很方便。检测精度比较高，是以前产品的 7倍，放大器间采用光通信方式，可防止与其它电路的互相干扰。欧姆龙 E3X-NA11 主要由放大器部分与光纤部分组成，如图 2-4-3所示。


图 2-4-3 欧姆龙 E3X-NA11 光纤式光电开关

如图 2-4-4所示，光纤式光电开关的光纤线主要由中间的核心和外围部分的外包金属层构成，该金属曲折率较小的。放大器部分中的投光元件是一只红色发光二极管，发出波长为 680纳米的红色光线。光线入射到光纤的核心部分后，在与外包金属的交界面上一边反复进行全反射，一边行进，传递至光纤的末端的探头。从光纤末端的端面发出来的光线会以约 60° 的角度扩散，照射到被测物体上。被测物离探头的端面越远，那么被测物表面上的红光越暗。依靠被测物表面的反射，光线进入另一条光纤，传递到放大器部分的受光元件上。再由受光元件将返回的光线的强弱转化为电信号，经放大电路、电压比较器处理后，以 NPN 集电极开路输出的方式输出。为保证传感器的灵敏度，要求有足够多的红光被反射回来，被测物的检测距离要求在 1cm 以内。探头比较接近被测物，也可减少环境光线对传感器的干扰。


图 2-4-4 E3X-NA11 的光线传播

如图 2-4-5所示，传感器的光纤部分与放大器部分是可以分离的，只要将边角上的灰色卡扣打开，就可以拔出或插入光纤线。在安装光纤线时，将两根光纤线插入后，将卡扣压紧即可。


图 2-4-5 光纤线的分离与安装

将两条光纤线从放大器部分分离出来并指向明亮的光源（如室内的灯光或窗口），则可以从另一端的光纤探头处看到两个亮点，如图 2-4-6中的 (a)所示。此时即使将光纤弯曲，仍可以看到两条光纤能传出光线来。将光纤装回到放大器部分后，我们只能看到光纤探头处是暗的，并没有光线传出，如图 2-4-6 中的 (b)所示。此时为传感器接上电源，可以看到其中一条的光纤传出了较亮的红光，能在白纸上投出红色的光斑，如图 2-4-6 中的 (c)所示。


(a) (b) (c)

图 2-4-6 E3X-NA11 的光纤探头

光纤探头处有金属外壳，并带有螺纹和两个螺母，可以很方便地安装在自动化设备上。图 2-4-7所示的探头就是安装在气动机械手的气指上。


图 2-4-7 安装在机械手上的光纤探头

向上揭开传感器的透明保护盖，就可以看到 E3X-NA11 的面板，如图 2-4-8所示。面板中间有调节传感器灵敏度的旋钮，顺时针方向旋转旋钮，则可以调大传感器的灵敏度，反之则调小灵敏度。在旋钮的左方还有一个机械式的当前灵敏度的指示器，在灵敏度指示器的左方是一组由小到大的工作状态指示灯。当传感器上电后，最小的绿灯就会发光，根据所设定的灵敏度，受光元件所感应的光线越强，由右向左亮的灯越数也越多。当第三个红灯亮起来时，最左边的黄灯也一同亮起来，表示光线强度达到了所设定的灵敏度值，传感器输出接通的开关信号。


图 2-4-8 E3X-NA11 的面板

二、欧姆龙 E3X-NA11 使用时的注意事项(1) 传感器在接通电源后 100ms 以内处于可检测状态，如果负载与传感器分电源连接，需要先接通传感器的电源。(2) 传感器电源关断时，会发生输出脉冲，要先断开负载或负载上的电源后才能关断传感器电源。(3) 使用市场销售的开关或稳压器时，要进行 FG(机架接地端子 )及 G(接地端子 ) 的接地。如果不接地，则会因电流的开关干扰发生误动作。(4) 如果在光电传感器配线的同一配线管或同一导管内配拉了高压线、动力线，则会因干扰而发生误动作或破损情况，所以原则上要分线路配线或使用单独金属配管及屏蔽导线。(5) 使用过程中，应保障光纤头不受污物遮盖。(6) 光纤线的抗连续折弯能力差，使用时弯曲半径不得低于光纤的最小弯曲半径。


三、光电耦合器的结构特点光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内，然后利用发光器件的管脚作输入端，而把光接收器的管脚作为输出端。当在输入端加电信号时，发光器件发光。这样，光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。从而实现了以“光”为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。这样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体电子器件。光电耦合器的封装形式一般有管形、双列直插式和光导纤维连接三种，如图 2-4-9所示，本任务所用的 TLP521-1

就是双列直插式封装的。


图 2-4-9 TLP521-1光电耦合器外观及其内部电路

光电耦合的主要特点如下： 1. 输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于 10000MΩ ，耐压一般可超过 1kV ，有的甚至可以达到 10kV 以上。 2.由于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。 3.由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。 4. 容易和逻辑电路配合。 5.响应速度快。光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极。 6.无触点、寿命长、体积小、耐冲击。


四、光纤的结构光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体，如图 2-4-10 所示，自内向外为纤芯、包层、涂敷层和护套。核心部分是纤芯和包层，其中纤芯由高度透明的材料制成，是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤芯，使光的传输性能相对稳定。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起决定性影响。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。


图 2-4-10 光纤的结构

五、光纤通信系统就广义而言，通信就是各种形式信息的转移或传递。通常的具体做法是首先将拟传递的信息设法加载 ( 或调制 ) 到某种载体上，然后再将被调制的载体传送到目的地后，将信息从载体上解调出来。光纤通信系统中电端机的作用是对来自信息源的信号进行处理，例如模拟／数字转换多路复用等；发送端光端机的作用则是将光源 ( 如激光器或发光二极管 ) 通过电信号调制成光信号，输入光纤传输至远方；接收端的光端机内有光检测器 ( 如光电二极管 )将来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原形后，输至电端机的接收端。对于长距离的光纤通信系统还需中继器，其作用是将经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经放大、整形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方以保证良好的通信质量。目前的中继器多采用光—电—光形式，即将接收到的光信号用光电检测器变换为电信号，经放大、整形、再生后再调制光源将电信号变换成光信号重新发出，而不是直接放大光信号。近年来，适合作光中继器的光放大器 ( 如掺铒光纤放大器 )已研制成功，这就使得采用光纤放大器的全光中继及全光网络将会变得为期不远。


六、光纤通信的特点与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： 1. 传输频带极宽，通信容量很大； 2.由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远； 3.串扰小，信号传输质量高； 4. 光纤抗电磁干扰，保密性好； 5. 光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； 6.耐化学腐蚀； 7. 光纤是石英玻璃拉制成形 ,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。光纤通信同时具有以下缺点： 1. 光纤弯曲半径不宜过小； 2. 光纤的切断和连接操作技术复杂； 3.分路、耦合麻烦。由于光纤具备一系列优点，所以广泛应用于公用通信、有线电视图像传输、计算机网络、电力及铁道通信交通控制信号等的通信。


【任务拓展】一般来说，表面颜色越浅、越亮的对象，反

射光线的能力越强，越易令光纤式光电开关传感器输出接通信号。本任务中所选用的光纤式光电开关，它的投光元件所发出的光是红色的，则它只能用于判别工件表面对红色光的反射能力。虽然白色物体看起来比红色物体要亮得多，但是白色表面、红色表面与黄色表面对红色光的反射能力却是差不多的，不能用本传感器判别白色、红色与黄色的工件。绿色表面与蓝色表面对红色光的反射能力仅比黑色表面强一点点，传感器较难分辨出他们的不同，因而也不应用本传感器来判别这三种颜色的工件。图 2-4-11是 E3X-NA11的常见颜色判别能力表，灰色背景的单元格表示可以判别该格纵横对应的两种颜色，数值表示判别能力的充裕度。数值越大，表示越容易判别出来。可以在调定传感器的灵敏度后，找几种不同颜色，表面光滑程度一样的纸板来验证一下。


图 2-4-11 E3X-NA11 的常见颜色判别能力

【知识测评】

1. 光纤式光电开关具有什么功能？与其它反反射式光电传感器相比，具有什么特点？

2. 光纤式光电开关的引线有三种颜色？其功能分别是什么？

3. 如何调节光纤式光电开关的灵敏度？4. 光纤式光电开关作为单片机电路的输入器件，需如何将信号接入单片机芯片的输入端口？


【任务评价】


任务要求分值评分标准

学生自评

小组互评

教师评价

任务总评

了解光纤式光电开关的功能与参数

20

能叙述反射式光电传感器的功能与参数

掌握光纤式光电开关的引线颜色及其功能

10

能分辨三根引线的功能

掌握光电耦合器的工作原理与功能

10

能叙述光电耦合器的工作原理与功能

连接电路 30独立连接好整个电路

学会如何调节光纤式光电开关的灵敏度 1

0

能调节灵敏度，令工件在 3cm到 5cm距离时导通

安全操作 10

工具使用、仪表安全

现场管理 10

出勤情况、现场纪律、协作精神

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项目二 光电传感器应用

项目二光电传感器应用