Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 16
Текст из файла (страница 16)
3.2. Оптические датчики ° 85 3.2. Оптические датчики В качестве оптического датчика чаше всего выступает оптопара светодиод-фотоприемник, называемая также оптроном. Выпускаются оптроны с закрытым (оргоно1агог) оптическим каналом (в монолитном микросхемном исполнении) и открытым оптическим каналом (шелевые и отражательные оптроны). 3.2.1. Щелеаой оптрон На Рис.3.6 показан оптический датчик — и!слепой оптрон (з1опед орйса! зтч!гс)т).
Фототранзистор и направленный на него светодиод укреплены на пластиковое основание и разделены промежутком так, что когда некий предмет движется в зазоре, он прерывает свет между светодиодом и датчиком. (Целевые оптроны часто используются для измерения скорости двигателя при помощи диска с прорезями, размещенного на оси двигателя. Когда ось вращается, диск по очереди прерывает или, наоборот, не прерывает световой путь.
Другое применение шелевого оптрона — это индикация, открыта или закрыта дверь или, например, кожух охранного прибора. Флажок на двери, попадая в шель, блокирует свет, когда дверь закрывается. Механическая компьютерная мышь также использует Шелевые оптроны. Упрощенная зпентричесхая схема пары саетсдисд-фстстранзистср рис. З.б.
щслсвой оптрон 3.2.2. Отражательный оптрон На Рис. 3.7 показан другой тип оптического датчика — отражательный оптрон (гейесбие зепзог). Принцип работы этого датчика такой же, как и шелевого, с той разницей, что фототранзистор собирает отраженный, а не прямой свет. Большинство датчиков отражения характеризуются фо- 86 ° Глава 3. Датчика кусным расстоянием — оптимальным расстоянием, на котором должен быть размешен отражающий объект от датчика.
Это расстояние составляет обычно величину 0.254...1.270 см (от 0.1 до 0.5 дюйма). Типичное применение отражательных оптронов — это регистрация врашения двигателя по нанесенным на его ось темным меткам. упрощенная зпехтричесхая схема пары светодиод-фототранзистор Отражающая поверхность Коппиматор ототранзистор Рас. 3.7. Отражательный оптрон Когда ось вращается, датчик регистрирует смену темных и отражаюших участков. Оба типа оптронов обладают схожими характеристиками, которые необходимо учитывать при проектировании систем. Данные характеристики рассматриваются в следующих разделах.
Скорость срабатывания Поскольку фототранзистор довольно медленнодействуюший оптический прибор, то данное обстоятельство ограничивает максимальную скорость регистрации. Типичное время включения фототранзистора 8 мкс, а выключения 50 мкс. Эти временные параметры определяются скоростью носителей под действием света в переходе база-эмиттер транзистора. Коэффициент усиления по току Оптопара светодиод-фототранзистор имеет ограниченный коэффициент усиления, обычно меньше единицы. Отношение тока, протекающего в коллекторе фототранзистора к току через светодиод, называется каэдзтрицаентам передачи ло таку, КПТ (Сцггепг ТгапзГег Кайо, СТК).
Типичное значение КПТ для шелевых оптронов составляет 0.1, Это значит, что при токе! 0 мА, протекаюшем через светодиод, ток коллектора фототранзисто- 3.2. Оптические датчики ° 87 ра составит 1 мА. КПТ иногда задается как коэффициент, иногда приводится в виде таблицы, показывающей различные значения токов коллектора для различных величин тока светодиода.
КПТ зависит от характеристик светодиода и фототранзистора и может варьироваться от одного изделия к другому. КПТ следует принимать во внимание при создании интерфейса между оптроном и микропроцессорной системой. Во-первых, если вы хотите присоединить оптрон прямо к цифровому входу (Рис. 3.8), выход транзистора необходимо согласовать по логическим уровням со входом цифрового устройства.
Для быстрого насыщения фототранзистора величину нагрузочного резистора следует ограничить. Например, если через светодиод протекает ток!О мА, а минимальная величина КПТ равна 0.1, то величину нагрузочного резистора следует выбрать порядка 5 кОм. Меньшая величина резистора обеспечит лучшую устойчивость к шумам (из-за меньшего импеданса) и, возможно, большую скорость переключения, но не гарантирует совместимости со всеми устройствами, так как транзистор не смог бы пропускать достаточный ток для обеспечения НИЗКОГО логического уровня. Чтобы снизить величину нагрузочного резистора, можно использовать оптопару с более высоким КПТ или питать светодиод большим током. Выпускаются витрины с составным транзистором Дарлингтона на выходе, что обеспечивает КПТ > 1, но скорость переключения такого аптрона ниже, чем у одиночных транзисторов и составляет 20% от скорости одиночных транзисторов.
К тому же напрязкение насыщения транзистора Дарлингтона больше, чем у одиночного транзистора. кч + очный резистор шмй ~ Логический еыкод к цифровым схемам Схема дарлинггона на еко оде Рис. З.в. Овтроны с цифровым выходом 88 ° Глава 3. Датчики Отражательные датчики также характеризуются КПТ.
Поскольку датчик рассчитан на прием отраженного света, то КПТ будет зависеть от свойств отражающей поверхности и расстояния до нее. КПТ отражательного датчика обычно задается относительно некоторой стандартной отражающей поверхности, размешенной на характерном фокальном расстоянии. Например, отражательные датчики фирмы ОТ Оргое!ее!гоп!сз снабжены следующим пояснением в инструкции по применению; «Измерения проведены с использованием стандартного белого теста Еазгшап КодаК, который обеспечивает 90% отражательной способности и применяется в качестве отражаюшей поверхности». КПТ отражательного датчика варьируется от прибора к прибору, но также зависит от применяемого оборудования.
Если датчик нацелен на поверхность, меняющуюся между серым и черным цветом, то КПТ будет меньше указанного производителем для белого отражателя. По этой причине в разрабатываемой системе должен быть учтен действительный КПТ, получаемый на основе реальных компонентов. Один из методов определения КПТ вЂ” измерить его прямо в системе, а затем сравнить полученную величину с паспортными данными. Поскольку КПТ оптических датчиков имеет широкий диапазон, может понадобиться подключить выход датчика к АЦП.
Это позволит точнее отследить изменения выходного уровня. Но такое техническое решение не экономично и не решит проблем, т. к. потребуется дополнительный АЦП с более высоким быстродействием и согласование его по скорости со значительно более низкой скоростью срабатывания оптических датчиков. Можно использовать компаратор, который не обеспечит гибкости АЦП, но быстрее и дешевле. Порог срабатывания компаратора может быть установлен с учетом компенсации схемных ограничений, например, таких как относительно высокое напряжение смешения составного транзистора Дарлингтона. К тому же обязательно применение комнаратора с гистерезисом (Приложение А) для избегания выходных шумов, вызванных низкой скоростью переключения фототранзистора.
3.2.3. Особенности работы а ИК-диапазоне В бодьшинстве шелевых и отражательных датчиков используются инфракрасные светодиоды и фототранзисторы. Это значит, что реакция датчика может отличаться от предположительной реакции в видимом диапазоне спектра. Объекты, хорошо отражаюшие в видимом свете, могут отражать менее эффективно в инфракрасных лучах. Следует также учитывать помехи, вносимые естественным и искусственным освешеннем. 3.2 Онглнческие дашчнкн ° 89 На Рис. 3.9 показано, что оптрон, работающий с прямоугольными импульсами, может быть снабжен фильтром для устранения такого рода помех.
В данном примере осветительный прибор добавляет к выходному сигналу постоянное смешение и колебания с частотой сети б0 Гц". После прохождения сигнала через фильтр, настроенный на частоту паразитной модуляции сети, эти помехи фильтром вырезаются, и отфильтрованный от помех сигнал может быть преобразован в цифровой. Фильтр может быть реализован как с помощью электроники, так и программно. ИК-лучи широко применяются в бытовой технике. В пульте дистанционного управления телевизора на ИК-лучах используется модуляция сигнала с частотой 40 кГц.
Для обеспечения работы с такой частотой в датчике применяется высокоскоростной фотодиод. Подобная фильтрация имеет и недостатки. Один из недостатков — ограничение скорости. Из-за значительного времени включения и выключения фототранзистора, частота модуляции, с которой устройство еще будет работать, обычно ограничена величиной порядка 10 кГц. зистор Выходной сигнал Импульсный сигнал Сигнал модулирован частотой 60 Гц — помехой — отламп дневного света Появление постоянной составляющей сигнала Форма импульсов из-за влияния подсветки окружающим светом Рис. 3.9.
Фильтрация сигнала оптического датчика Недостаток также в том, что в результате фильтрации появляется некоторая задержка во времени, достигающая нескольких циклов работы механической части. Так, если даже датчик рассчитан на работу с часто- " В США н многих других странах мира используется частота сети бо Гн, а странах бывшего СССР— 50 Гц. (Прин. науч.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
