一种基于双MCU的安全光幕设计方案

红外发射管的发光效率η和正向压降u通常是定值，由式(1)可知，当光照度一定时，适当减小检测距离可以大大减小光电流。工作电流及工作电压对发射功率起决定性作用，发射功率用辐照度表示。

其红外辐射功率与正向工作电流成正比，电流在接近最大额定值时，器件的温度上升，使光发射功率下降，且电流过大易影响其使用寿命。电流过小，将影响其辐射功率的发挥。当电压越过正向阈值电压(本系统所使用的约1 V左右)时，电流开始流动，且其工作电流对工作电压十分敏感，因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。

调制光的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，需设置红外发射管工作于脉冲状态，在电路设计时，需要尽量提高峰值电流Ip，使其发射距离更远。

因红外发射管的使用寿命与其工作电流相互制约，可对其工作脉冲占空比进行合理调整，使得其峰值电流尽量高，而平均电流比较低，符合其正常工作的功耗要求，最终经过调试该红外发射管工作在1：4的占空比时，实验效果最佳。

常用的红外发射管的发射角度有30°、45°、60°，角度越小，红外线越集中，发射距离越远。考虑以上因素，本系统选用的红外发射管，其峰值电流可达到1 A，发射角度为34°，能很好地满足系统要求。

红外发射模块中AVR单片机ATmega32通过PA6端口控制移位寄存器HCF4094的时钟信号，从而控制红外发射管导通的时间;PA7端口控制其数据信号，用来选通红外发射管;PD4端口是单片机的输出比较匹配控制口，它连接移位寄存器的使能端OE;PD4端口使用定时器PWM模式，控制红外发射管的调制频率。单片机控制3个端口配合，使每支管子依次发光，控制时问为1 ms，实际发光时间为250μs，并在PD4给出的50 kHz调制频率下，有序地进行发射工作。

2.2 红外接收模块

红外接收模块主要任务是负责红外发射模块与接收模块之间的通信、红外接收信号的处理及安全输出口的控制。

红外接收管是一种光感电流源，光感电流与光通量成正比，光感电流对电容进行充电，通过光通量变化获得相应的电信号。无遮挡物时，光路通畅无阻，接收红外光，光感电流最大;有遮挡物通过检测区域时，光路部分被遮挡，输出电位升高。越有效遮光，输出电位越高。利用该原理可以实现对检测区域是否存在异物进行测定，进而可执行下一步的安全措施。

红外接收模块两片MCU之间通过I/O口连接单稳态双触发器4538，定期发送窄脉冲给触发器，其输出口Q端则应在响应时段发送高电平，若有故障则输出低电平，信号输入另一个单片机I/O口中，进行电平检测。两单片机通过定时监测，实现实时相互检测。光幕的报警输入信

号要求系统能够及时响应，所以报警输入与单片机的外部中断引脚相连。整个光幕系统由红外接收模块MCU1主控，负责红外发射模块、红外接收模块的信号同步，并控制MCU2的工作。接收模块系统框图如图3所示。

在红外发射模块及红外接收模块正常通信后，红外发射模块开始顺序发射红外光，同时红外接收模块控制的相应的红外接收管开始接收红外信号，进行一对一的红外光发射接收。红外接收器将接收到的光信号转化为电信号，经过滤波、放大、整形后分别输入给MCU1、MCU2，通过接收端的中断服务程序处理，进行同步操作，检测其窄脉冲与预设的是否相同。判断光幕是否被遮挡，信号是否有效，然后进行有效的安全输出控制。

2.3 安全输出模块

光幕的输出电路形式一般分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出3种。

晶体管输出电路相比于继电器输出响应快(一般在0.2 ms以下)，适用于要求快速响应的场合;晶体管无机械触点，比继电器输出电路寿命长。

晶体管输出电路的应用局限是外接电源只能是直接电源，且其输出驱动能力要小于继电器输出，允许负载电压一般为DC 5～30 V，允许负载电流为0.2～0.5 A。

晶体管输出电路的形式主要有两种：NPN和PNP型集电极开路输出。NPN型控制输出在系统触发时，信号输出线OUT和电源线VCC连接，公共端COM只能接外接电源的负极，相当于输出高电平，OSSD常态是高电平。当光幕检测到物体遮挡时，控制安全输出动作，OSSD变为低电平;相反地，PNP型控制输出在系统触发时信号输出线OUT和0 V线连接，而PNP型的COM端只能接外接电源的正极，相当于输出低电平，OSSD常态是低电平，当光幕检测到物体遮挡时，OSSD安全输出动作，变为高电平。

本光幕系统的OSSD安全输出模块采用的是晶体管NPN集电极开路输出电路。系统中采用双路OSSD输出，保证输入信号的正确性，且两个MCU都对安全输出口进行性能监测，通过电路具体设置，单片机定时检测控制该口的电平状态，从而判断是否为正常工作状态。确保系统处于正常的工作状态，保证输出信号的可靠性，从而对使用者提供有效的保护。