本發(fā)明涉及一種抗環(huán)境光干擾的運動物體擋光時間測量裝置及方法，屬于傳感器測控技術領域。

背景技術：

光電管測量運動物體的擋光時間受環(huán)境光干擾較大，致使測量結果不精確。為了避免環(huán)境光的干擾，目前通過光電管來測量運動物體擋光時間的方法主要有兩種：第一種是通過盡可能縮短被測物體與發(fā)射管、接收管的距離來減少環(huán)境光的干擾，第二種是通過發(fā)射特定波長頻率的光波來排除環(huán)境光的干擾。然而，這兩種方法的效果不盡人意，第一種方法造成運動物體在高速運動時會有撞擊光電管的現(xiàn)象發(fā)生，另外運動物體即使盡可能接近光電管也會存在環(huán)境光干擾，不能完全避免；第二種方法雖然能夠通過發(fā)射特定頻率的光波來排除環(huán)境光的干擾，但是不能精確地測量物體經過的時間，尤其是在要求測量的時間單位很小的時候會存在計時偏差，例如微秒級別的時間。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，提出一種抗環(huán)境光干擾的運動物體擋光時間測量裝置，同時給出了其測量方法，該方法測量精度高。

為了達到以上目的，本發(fā)明的抗環(huán)境光干擾的運動物體擋光時間測量裝置，包括光電對管，用于將光信號轉化為電信號，并將電信號傳遞給耦合電路；

耦合電路，用于接收光電對管發(fā)送的電信號并進一步濾除恒定的環(huán)境光干擾信號以獲得擋光信號，再將濾除環(huán)境光干擾的擋光信號傳遞給信號放大模塊；

信號放大模塊，用于接收并放大耦合電路發(fā)送的擋光信號；

信號比較模塊，用于接收信號放大模塊發(fā)送的擋光信號并將擋光信號轉換成方波脈沖信號；

微控制器模塊，用于接收信號比較模塊發(fā)送的方波脈沖信號并對方波脈沖信號進行計時，以獲得物體經過光電對管之間的時間；

在所述光電對管之間的光路設有擋光板，所述擋光板上具有用于濾掉部分環(huán)境光的平行光縫。

本發(fā)明的光電對管之間的光路被擋光板處理成狹窄的平行光路，以達到物體進入光電對管之間光路時信號突變比較明顯的目的，同時減少環(huán)境光中干擾光源的輸入，增加光電對管測量運動物體擋光時間的精度。另外，光電對管將物體經過的信息（光信號）轉換成交流電信號（即將運動物體經過光路的時間轉換成擋光信號），同時將恒定的環(huán)境光轉化成直流電信號（即環(huán)境光干擾信號），并將轉換后的物體經過信息傳給后級的檢測比較電路，檢測比較電路為耦合電路、信號放大模塊、信號比較模塊。耦合電路將不同強度的穩(wěn)定環(huán)境光以及穩(wěn)定發(fā)射光轉化來的直流電進一步濾除掉，只讓變化快速的擋光信號-交流電進入后級電路，以減少環(huán)境光對比較基準電平的影響，避免影響信號比較模塊的比較門檻值偏差；信號放大模塊把經過耦合電路的交流小信號進一步放大，以利于信號比較模塊進行判斷，準確分辨出物體進入光路點的時刻，防止直流小信號干擾導致的誤觸發(fā)；信號比較模塊設定固定門檻值（即物體進入光路時的固定比較閾值），物體進入光路后達到固定門檻值就能檢測到信號變動，最終將有用的擋光信號處理成方波脈沖信號送入微控制器模塊進行實時計時處理?？傊詈想娐?、信號放大模塊、信號比較模塊相互配合能夠消除通過擋光板的部分環(huán)境光干擾信號，使得測量更為精確。

進一步的，所述光電對管由發(fā)射管和接收管組成，在所述發(fā)射管與接收管之間的光路設有平行布置的第一擋光板和第二擋光板。

再進一步的，所述第一、第二擋光板的中部均具有一條沿其豎直方向延伸的狹縫或細長孔，并且所述第一擋光板的狹縫或細長孔與第二擋光板的狹縫或細長孔位于同一垂面上。這樣，通過擋光板狹縫或細長孔的光路為平行光路，狹縫或細長孔將光路信號處理成平行的細縫或細小長孔，以減少環(huán)境光的干擾量，提高物體進入光電對管光路時反應的靈敏度，最終達到物體瞬時、完全遮擋光電對管之間光路的目的。

進一步的，所述光電對管、耦合電路、信號放大模塊、信號比較模塊和微控制器模塊均與電源模塊連接。

再進一步的，所述發(fā)射管為紅外發(fā)光二極管，所述紅外發(fā)光二極管的一端接地，另一端通過電阻一接VCC，所述接收管為紅外接收二極管，所述紅外接收二極管的一端接地，另一端通過電阻二接VCC。

更進一步的，所述耦合電路包括耦合電容，所述耦合電容的一端接紅外接收二極管的輸出端，另一端接電阻八的輸入端。

更進一步的，所述信號放大模塊包括第一集成電路，所述第一集成電路的4腳接地，7腳接VCC，3腳接對地并聯(lián)的電容二和電阻六，2腳接電阻八的輸出端，6腳接電容四的輸入端，對地并聯(lián)的電容二和電阻六通過電阻三接VCC，并且在所述第一集成電路的2腳、6腳之間并聯(lián)電阻九。

更進一步的，所述信號比較模塊包括第二集成電路，所述第二集成電路的2腳接地，5腳接VCC，3腳接對地并聯(lián)的電容三和電阻七， 4腳接電容四的輸出端，1腳接微控制器模塊，對地并聯(lián)的電容三和電阻七通過電阻四接VCC，所述第二集成電路的1腳與微控制器模塊之間接電阻五，所述電阻五接VCC。其中VCC為電源電壓。

本發(fā)明還提供一種抗環(huán)境光干擾的運動物體擋光時間測量方法，該方法包括以下步驟：

第一步、安裝組成光電對管的發(fā)射管和接收管，保證發(fā)射管與接收管之間的距離為19±5mm；轉至第二步；

第二步、在發(fā)射管的發(fā)射端安裝第一擋光板，在接收管的接收端安裝第二擋光板，第一、第二擋光板平行布置，并保證發(fā)射管與第一擋光板之間的距離為2±1mm，接收管與第二擋光板之間的距離為2±1mm；轉至第三步；

第三步、先將接收管的輸出端與耦合電路相連，再依次連接耦合電路、信號放大模塊、信號比較模塊、微控制器模塊；轉至第四步或第五步；

第四步、當發(fā)射管與接收管之間光路沒有物體經過時，發(fā)射管發(fā)出的發(fā)射光信號與環(huán)境光信號疊加后輸入接收管，接收管將發(fā)射光和環(huán)境光疊加之后的光信號轉換成電信號，電信號輸入耦合電路，耦合電路將恒定的環(huán)境光信號以及發(fā)射光信號轉換的直流電信號濾除；

第五步、當物體經過發(fā)射管與接收管之間光路時，發(fā)射管發(fā)射的紅外光被運動物體遮擋，產生一變化的光信號，變化的光信號與恒定的環(huán)境光信號疊加后被接收管接收，接收管將變化的光信號轉換成交流電信號，恒定的環(huán)境光信號轉換成直流電信號后傳遞給耦合電路，耦合電路對電信號進行濾波處理得到交流電信號，交流電信號輸入信號放大模塊進行放大處理得到放大的交流電信號，放大的交流電信號輸入信號比較模塊與給定的基準電壓進行比較得到符合要求的比較交流電信號，并將比較交流電信號轉換成方波脈沖信號，方波脈沖信號輸入微控制器模塊進行計時處理，輸出運動物體的擋光時間。

這樣，無運動物體經過光路時產生直流信號，當有運動物體經過光路時，信號會有脈沖變化，再針對脈沖信號進行計時，獲得運動物體的擋光時間。

進一步的，所述基準電壓為0.7V

本發(fā)明的優(yōu)點是設計合理，功耗低，使用方便，能夠精確測量運動物體的擋光時間，結果準確可靠，而且生產成本低，環(huán)境適應性強，可以在陽光下、室內、黑暗環(huán)境中穩(wěn)定可靠地工作。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1為本發(fā)明一個實施例的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的電路原理圖。

圖3為本發(fā)明中光電對管的安裝示意圖。

具體實施方式

實施例一

本實施例的抗環(huán)境光干擾的運動物體擋光時間測量裝置，其結構如圖1所示，包括光電對管，與光電對管的輸出端連接的耦合電路，與耦合電路的輸出端連接的信號放大模塊，與信號放大模塊的輸出端連接的信號比較模塊以及與信號比較模塊的輸出端連接的微控制器模塊，并且光電對管、耦合電路、信號放大模塊、信號比較模塊和微控制器模塊均與電源模塊連接。其中，光電對管用于將光信號轉化為電信號，并將電信號傳遞給耦合電路；耦合電路用于接收光電對管發(fā)送的電信號并進一步濾除恒定的環(huán)境光干擾信號以獲得擋光信號，再將濾除環(huán)境光干擾的擋光信號傳遞給信號放大模塊；信號放大模塊用于接收并放大耦合電路發(fā)送的擋光信號；信號比較模塊用于接收信號放大模塊發(fā)送的擋光信號并將擋光信號轉換成方波脈沖信號；微控制器模塊用于接收信號比較模塊發(fā)送的方波脈沖信號并對方波脈沖信號進行計時，以獲得物體經過光電對管之間的時間。

光電對管由發(fā)射管1和接收管2組成，在發(fā)射管1與接收管2之間的光路設有平行布置的第一擋光板3和第二擋光板4。第一擋光板3的中部具有一條沿其豎直方向延伸的第一細長孔5，第二擋光板4的中部具有一條沿其豎直方向延伸的第二細長孔6，并且第一細長孔5與第二細長孔6位于同一垂面上。第一細長孔5、第二細長孔6將光電對管之間的光路處理成狹窄的平行光路，用來減少環(huán)境光的干擾成分，同時提高物體7進入光電管反應的靈敏度，達到物體7進入光路瞬時完全遮擋光路的目的，使物體7進入光路時信號突變比較明顯。

如圖2所示，發(fā)射管1為紅外發(fā)光二極管D1（型號PT928），用來發(fā)射紅外光信號，紅外發(fā)光二極管D1的一端接地，另一端通過電阻一R1（阻值100歐姆）接PhotoGate-VCC，接收管2為紅外接收二極管D2（型號為PT928-6C），用來接收紅外光信號、環(huán)境光信號等，并將光信號轉換成電信號，紅外接收二極管D2的一端接地，另一端通過電阻二R2（阻值為5.1K）接PhotoGate-VCC。耦合電路包括耦合電容C1（電容值為100nF），耦合電容C1的一端接紅外接收二極管D2的輸出端，另一端接電阻八R8（阻值為1K）的輸入端。信號放大模塊包括第一集成電路U1（型號為LMC6061），第一集成電路U1的4腳接地，7腳接PhotoGate-VCC，3腳接對地并聯(lián)的電容二C2（電容值為100nF）和電阻六R6（阻值為5.1K）， 2腳接電阻八R8的輸出端，6腳接電容四C4（電容值為100nF）的輸入端，另外對地并聯(lián)的電容二C2和電阻六R6通過電阻三R3（阻值為10K）接PhotoGate-VCC，并且在第一集成電路U1的2腳、6腳之間并聯(lián)電阻九R9（阻值為5.1K），即電阻九R9的一端接電阻R8的輸出端，另一端接電容C4的輸入端。信號比較模塊包括第二集成電路U2（COMPARATOR），第二集成電路U2的2腳接地，5腳接PhotoGate-VCC，3腳接對地并聯(lián)的電容三C3（電容值為100nF）和電阻七R7（阻值為2K），4腳接電容四C4的輸出端，1腳接微控制器模塊MCU，另外對地并聯(lián)的電容三C3和電阻七R7通過電阻四R4（阻值為10K，誤差1%）接PhotoGate-VCC，第二集成電路U2的1腳與微控制器模塊MCU之間接電阻五R5（阻值為10K，誤差1%），電阻五R5接PhotoGate-VCC。

實際使用過程中，發(fā)射管1與接收管2之間的光路被平行的第一細長孔5、第二細長孔6過濾，在被測物體7沒有經過光路時接收管2接收環(huán)境光信號，并將環(huán)境光信號與發(fā)射管1發(fā)射的發(fā)射光信號疊加在一起的光信號轉換成電信號，電信號經過耦合電路之后將直流成分的環(huán)境光濾除掉；被測物體7經過光路時能夠遮擋掉發(fā)射光信號，產生一個變化的光信號，該光信號與環(huán)境光信號疊加在一起被接收管2轉換成電信號，電信號通過耦合電路濾除環(huán)境光的直流成分，僅剩變化光信號轉換成的交流成分，交流成分經過放大、比較等一系列處理后被送入微控制器模塊進行計時處理，最后獲得精準的運動物體擋光時間，該裝置能夠有效減少外界光源對測量精度的影響。

本實施例一種抗環(huán)境光干擾的運動物體擋光時間測量方法包括以下步驟：

第一步、安裝組成光電對管的發(fā)射管1和接收管2，保證發(fā)射管1與接收管2之間的距離為19mm；轉至第二步；

第二步、在發(fā)射管1的發(fā)射端安裝第一擋光板3，在接收管2的接收端安裝第二擋光板4，第一擋光板3、第二擋光板4平行布置，并保證發(fā)射管1與第一擋光板3之間的距離為2mm，接收管2與第二擋光板4之間的距離為2mm；轉至第三步；

第三步、先將接收管1的輸出端與耦合電路相連，再依次連接耦合電路、信號放大模塊、信號比較模塊、微控制器模塊；轉至第四步或第五步；

第四步、當發(fā)射管1與接收管2之間光路沒有物體7經過時，發(fā)射管1發(fā)射的紅外光信號與環(huán)境光信號疊加后輸入接收管2，接收管將紅外光和環(huán)境光疊加之后的光信號轉換成直流電信號，直流電信號輸入耦合電路，耦合電路將恒定的環(huán)境光及紅外光轉換的直流電信號濾除；

第五步、當物體經過發(fā)射管1與接收管2之間光路時，發(fā)射管1發(fā)射的紅外光被運動物體7遮擋，產生一變化的光信號，變化的光信號與恒定的環(huán)境光信號疊加后被接收管2接收，接收管2將變化的光信號轉換成交流電信號，恒定的環(huán)境光信號轉換成直流電信號后傳遞給耦合電路，耦合電路對電信號進行濾波處理，濾除直流電信號得到交流電信號，交流電信號輸入信號放大模塊進行放大處理得到放大的交流電信號，放大的交流電信號輸入信號比較模塊與信號比較模塊提供的基準電壓（基準電壓為0.7V）進行比較得到符合要求的比較交流電信號，并將比較交流電信號轉換成方波脈沖信號，方波脈沖信號輸入微控制器模塊進行計時處理，輸出運動物體7的擋光時間。

微控制器模塊接收到方波脈沖信號后，對其上升沿和下降沿分別進行開始計時和結束計時，最終得到這個脈沖寬度的時間。

實施例二

本實施例與實施例一的不同之處在于：第一擋光板的中部均具有一條沿其豎直方向延伸的第一狹縫，第二擋光板的中部均具有一條沿其豎直方向延伸的第二狹縫，第一狹縫與第二狹縫位于同一垂面上。因此，通過第一、第二狹縫的光路為平行光路，狹縫將光路信號處理成平行的細縫，以減少環(huán)境光的干擾量，提高物體進入光電對管光路時反應的靈敏度，最終達到物體瞬時、完全遮擋光電對管之間光路的目的。

光電對管的具體安裝結構見圖3，發(fā)射管1安裝在第一殼體8中，在第一殼體8的內側設有第一擋光板3，第一擋光板3上具有沿其豎直方向延伸的第一狹縫10，接收管2安裝在第二殼體9中，第二殼體9的內側設有第二擋光板4，第二擋光板4上具有沿其豎直方向延伸的第二狹縫11。

除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。