Оптический барьер для систем безопасности

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Владимир Рентюк, г. Запорожье
Оптический или световой барьер часто используется в системах охраны и сигнализации на электротехнических объектах. В отличие от датчиков движения, задача оптического барьера - точно определить пересечение объектом некоторой охранной границы и зафиксировать его вход в охраняемую зону.

На первый взгляд такая задача решается просто - устанавливается направленный источник инфракрасного или видимого излучения и оптической системой формируется луч, который направляется на приемник. При пересечении луча приемник выдает соответствующий сигнал.
Теперь рассмотрим такую ситуацию: если объект - это, например, человек, который рядом с оптическим барьером махнул рукой, но в зону не вошел. Как это должно оцениваться? А если человек махнул рукой, а потом вошел в зону. Сколько «нарушителей» оказалось в охраняемой зоне? А если система со световым барьером должна работать, как счетчик, например, изделий, которые движутся неравномерно и вдобавок еще и с вибрацией. Как идентифицировать информацию с приемника, который будет выдавать последовательности импульсов? А если система работает совместно с системой идентификации, что, как и когда идентифицировать? Как видно, вопросов оказывается намного больше, чем ответов.
Автору статьи в одной из разработок пришлось как раз искать ответы на все эти вопросы. Требовалось однозначно определить вход объекта в некоторую зону, при этом не учитывать прохождение барьера объектами с размерами, менее заданных. При этом надо учитывать вход в зону опознанных и неопознанных объектов. То есть вариантов событий оказывается значительно больше, чем это кратко описано в начале статьи.
Система, получившая название «Счетчик объектов», предназначена для подсчета хаотически движущихся объектов с условием их идентификации. То есть она позволяет посчитать общее количество объектов, пересекших некоторую зону, и отдельно число идентифицированных по некоторым признакам объектов в этом количестве. Область применение счетчика - это системы учета и контроля, системы безопасности. Основа системы - это два особым образом расположенных оптических датчика. Принцип их расположения показан на рис.1.

Суть идеи (впервые в сокращенном варианте была опубликована в [1]) в том, что объект в ходе своего перемещения должен на каком-то этапе одновременно перекрыть сразу два датчика, естественно, что при этом датчики буду перекрываться и открываться поочередно. Это позволяет обеспечить различную реакцию системы на крупные (соответствующие критериям рис.1) и реакцию на мелкие объекты (не соответствующие критериям рис.1). То есть, например, движением руки такую систему в заблуждение не введешь. Сам объект может многократно делать попытки входа в зону обнаружения и выхода из нее, то есть перемещаться туда-сюда. Повторный его учет может быть только в случае, если он прошел полностью зону контроля, из нее вышел (полностью ее покинул) и вошел туда вновь. Поскольку датчики разнесены и могут быть скрытно расположены, то определить, как обмануть такую систему, к тому же без знания алгоритма ее работы, будет сложно. Датчики могут работать как с раздельными излучателями, так и в ряде случаев с одним общим. В первой практической системе использовались датчики на основе фотоприемников от оптических прерывателей H22LOI [2] (их собственный излучающий диод удалялся) с отдельно установленным внешним ИК излучателем. Оптический прерыватель H22LOI представляет собой чувствительный фотоприемник с триггером Шмитта, а его выход - ключ с откры-тым коллектором. В режиме засветки H22LOI (именно этого варианта исполнения, имеются и иные варианты исполнения прерывателей в этом семействе) внешним лучом выходной ключ открыт, а в режиме его отсутствия - разомкнут.
Работа устройства
Схема оптического барьера показана на рис.2.
700x481
Устройство выполнено на двух ИМС, которые сконфигурированы в три триггера (DD1-2, DD1-3; DD2-1; DD2-2) с простой управляющей логикой. Поскольку алгоритм работы устройства довольно сложный и разветвленный, то его описание заняло бы много места. Поэтому рассмотрим только основные его моменты.
В начальный момент времени, когда объект еще не вошел в зону действия системы, лучи излучателей светового барьера засвечивают датчики (U1, U2), и на их выходах присутствует уровни, соответствующие лог. «0». Соответственно, на выходе элемента «ИЛИ-НЕ» (DD1-1) устанавливается уровень лог. «1», который блокирует RS-триггер на элементах DD1-2, DD1-3 и принудительно устанавливает его в состояние лог. «1» на выводе 10 DD1-3. Эта лог «1», в свою очередь, установит уровень лог. «0» на выходе элемента DD1-4(«Выход4»). Индикатор HL1 светится зеленым. Это указывает на то, что система находится в режиме ожидания.
Как только объект входит в зону первого датчика, он перекрывает световой луч, и на выходе
датчика 1 устанавливается уровень лог. «1». Выход DD1-1 переходит в состояние лог. «0», и индикатор HL1 гаснет - система активирована (состояние «Выхода 3» изменяется с лог. «1» на лог. «0»). Изменение состояния датчика 1 вызывает переключение триггера DD2-1 (по переднему фронту) и принудительно устанавливает триггер DD2-2 в состояние лог. «1» на выходе Q1. Соответственно, его инверсный выход Q2 устанавливается в состояние лог. «1». При этом загорается красный светодиод индикатора HL1, сигнализируя о том, что система перешла в режим идентификации объекта, в этом режиме идентификатор получает разрешение на работу по входу EN (enable). Внешнее исполнительное устройство получает команду «Объект обнаружен, система готова к его идентификации», на «Выходе 2» состояние меняется с лог. «0» на лог. «1». Как только объект перекроет и второй датчик, на выходе элемента DD1-1 установится уровень лог. «0», тем самым, RS-триггер на элементах DD1-2, DD1-3 будет разблокирован.
Если объект успешно идентифицирован, то идентификатор выдаст лог. «1», тем самым, упомянутый RS-триггер меняет свое состояние с лог. «1» на лог. «0» (имеется в виду цепь, подключенная к выводу 12 DD1-4). Если объект не был успешно идентифицирован, то состояние RS-триггера не изменяется. Как только объект выйдет из зоны первого датчика, на его выходе опять установится уровень лог. «0», триггер на DD2-1 будет принудительно переведен в состояние лог. «1» на выходе Q1, а выход Q2 поменяет свое состояние с лог. «1» налог «0». Если идентификация объекта была успешной (RS-триггер на элементах DD1 -2, DD1-3 был переведен в низкий логический уровень), то на «Выходе 4» появится короткий импульс, свидетельствующий о том, что идентифицированный объект прошел зону. В противном случае, импульс на этом выходе будет отсутствовать, и его состояние так и останется равным лог. «0». Но в любом случае на «Выходе 1» схема выдаст короткий импульс, свидетельствующий о том, что некоторый объект полностью прошел защитный световой барьер. По этому импульсу осуществляется подача сигнала тревоги или подсчет входа в зону идентифицированных объектов. После этого схема опять перейдет в режим ожидания и включится зеленый светодиод индикатора HL1 (режим ожидания).
Элементы R4, СЗ улучшают работу RS-триггера Ha DD1-2, DD1-3 и обеспечивают его начальную установку. Элементы R7, С6 обеспечивают начальную установку триггера DD2-1 при подаче напряжения питания.
Индикатор HL1 используется опционно и позволяет контролировать работу системы. Резисторы в цепи коллекторов выходных ключей R1, R2 датчиков могут быть увеличены до 10 кОм. Блок идентификации может иметь собственный выход (на рис.2 не показан).
Временная диаграмма работы устройства показана на рис.3.

На диаграмме показаны два основных режима работы устройства. В зоне «А» показан режим для случая пересечения барьера идентифицированным объектом. В зоне «В» - режим работы при пересечении барьера не идентифицированным объектом. Осциллограмма 1 - это импульсы, позволяющие осуществить подсчет общего числа объектов, пересекших световой барьер.

Осциллограмма 2 - режим обнаружения объекта (высокий уровень).
Осциллограмма 3 - активация системы и ее готовность к идентификации объекта (низкий уровень).
Осциллограмма 4 - показывает импульс, указывающий, что барьер пересек идентифицированный объект.

В качестве излучателей могут использоваться недорогие малогабаритные лазерные модули типа HLDPM10-650-3 (см. фото) с регулировкой луча (на плате модуля имеется специальный подстроечный резистор). Эти модули могут формировать луч с пятном диаметром 1 ...2 мм на довольно большом расстоянии, поэтому можно упростить общую конструкцию системы. Датчик и излучатель устанавливают вместе, а возврат луча на датчик осуществляют, используя отражатель. Для подключения лазерного модуля и получения нужного пятна светового луча используется несложное добавочное устройство, показанное на рис.4.

Напряжение, подаваемое на лазеры (VD2 на рис.4), а следовательно, и их рабочий ток, задаются резисторами R1, R2. Для ИМС LM317 его можно рассчитать по формуле из [3]:
Uвых=1.25*(1+R2/R1)
Необходимо помнить, что рабочее напряжение указанного лазерного модуля составляет 3 В. Если есть необходимость в дополнительной регулировке тока лазерного модуля, то резистор R2 заменяют последовательно включенными постоянными и подстроечными резисторами. Индикатор HL2 - опционный. Он очень удобен при выставлении оптического барьера на объекте, так как легко позволяет обнаружить попадание луча излучателя на датчик.
Детальный алгоритм работы этого несложного устройства приведен в таблице.

Стрелками показано движение объекта. Как видно, положительная реакция системы есть только в одном случае - барьер пройден, объект идентифицирован. Как видно из таблицы, никаких лишних обнаружений система не дает.
В качестве идентификатора могут использоваться любые системы: устройства RFID, считыватели магнитных или штрих-кодов и т.п. Первый вариант устройства с ИК излучателями использовался для идентификации прохождения барьера с распознаванием пластиковых карт. Эти устройства без единого сбоя успешно эксплуатируются с 2012 года. Системы с лазерным модулем используются с 2016 года.
Естественно, что для надежной работы системы должны быть приняты соответствующие меры, предотвращающие внешнюю засветку их приемников.
Литература
1. Vladimir Rentyuk. Count objects as they pass by//EDN.-2015.-July 15.
2. H22L Series OPTOLOGIC® Optical Interrupter Switch, Fairchild Semiconductor Corp., May 2007.
3. LM117/LM317A/LM317 3-Terminal Adjustable Regulator, National Semiconductor Corp. May 1996.
PA 04 '2018

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR