紅外尋跡避障電路總結(jié)

1、光電傳感器一、反射式光電傳感器簡介反射式光電傳感器在機(jī)器人中有著廣泛的應(yīng)用?？梢杂脕頇z測地面明暗和顏色的變化，也可以探測有無接近的物體。這種光電傳感器的基本原理是，自帶一個(gè)光源和一個(gè)光接收裝置，光源發(fā)出的光經(jīng)過待測物體的反射被光敏元件接收，再經(jīng)過相關(guān)電路的處理得到所需要的信息。相應(yīng)的，光譜范圍，靈敏度，抗干擾能力，輸出特性等都是反射式光電傳感器的重要參數(shù)。二、簡單比較型光電傳感器在上左圖中，JP1 是光電管，接收光強(qiáng)在上面轉(zhuǎn)換成電流，在R 上成為電壓信號，與RA1 的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從LM339 輸出邏輯電平給單片機(jī)。R 越大，光電流產(chǎn)生的電壓變化越大，傳感器也就越靈敏。但是若R 過大，當(dāng)光比

2、較強(qiáng)的時(shí)候，R 上的電壓會(huì)達(dá)到 VCC 而不再變化，這就是所謂的 飽和 。在這種比較型的傳感器電路中，飽和只會(huì)使強(qiáng)光與強(qiáng)光難以分辨，但仍可以區(qū)分強(qiáng)光和弱光，它并不是影響比較結(jié)果的重要因素。但在后面介紹的幾種調(diào)制型傳感器中，飽和是必須避免的，因?yàn)樗鼤?huì)掩蓋交流分量。高靈敏度和飽和是一對矛盾，在后面提到了一些相關(guān)的解決方案。LM339 是開路輸出的，10K 的電阻是為了使輸出電壓正確。如果后面是51 之類開路輸入的單片機(jī)，這個(gè)電阻可以省略。假如把光敏管放在下邊,電阻放在上邊。這樣當(dāng)光線較暗時(shí)比較器輸入電壓接近VCC ，超過比較器LM339 能夠正常工作的最高輸入電壓 Vm, 比較器不能正常工作（ L

3、M339 的共模輸入電壓最低能低到 0，但是最高達(dá)不到 VCC ），因此靈敏度做不高。為了使比較器正常工作，電阻值應(yīng)使得光照時(shí)比較器輸入電壓Vi 大幅下降，滿足VCC-I*R<Vm （ I 是光電流），就是 I*R>VCC-Vm。這樣，光再強(qiáng)一點(diǎn)， I*R 接近 VCC,Vi就會(huì)降到0 附近，光敏管就會(huì)飽和，降低了區(qū)分顏色的可靠性。而現(xiàn)在把光敏管放在上邊,電阻放在下邊，就可以解決這個(gè)問題：這時(shí)Vi=I*R, 使用較小的R 可以保證Vi<Vm<VCC, 不會(huì)發(fā)生電壓范圍溢出或者光敏管飽和。這時(shí)為了保證光照與輸出有相同的邏輯關(guān)系（光照1時(shí)輸出低電平，指示燈亮），比較器的同相

4、和反相輸入端要互換。上圖右為給發(fā)光管供電的恒流電路(I=0.9V/R1) ，恒流的工作過程是：D11 起穩(wěn)壓作用， 如果電流偏大，R1 分壓變大， T1 的 VBE 降低，使電流減小；反之亦然。這個(gè)負(fù)反饋過程使電流恒定，R1 上的電壓恒定在D11 壓降和VBE 之差，約0.9V 。改變 R20 對地的通斷也可以控制發(fā)光管的亮滅。這樣可以使用很小的R或設(shè)置比較高的基準(zhǔn)電壓，只有很強(qiáng)的光輸入才能觸發(fā)電路。這時(shí)在恒流源中三極管的發(fā)射極電阻上并聯(lián)一個(gè)電容后，就可以用單片機(jī)控制探頭照明的 LED 發(fā)出短而強(qiáng)的光脈沖并進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制和解調(diào)，提高抗干擾能力，成為調(diào)制型傳感器電路的一種。三 高通濾波型光電傳感器

5、光源是用一個(gè)脈沖振蕩電流去點(diǎn)亮發(fā)光二極管，電路圖沒有畫出，可以使用任何一種振蕩電路，平均電流根據(jù)發(fā)光二極管的參數(shù)可以取到20mA 左右。接收部分是這樣工作的:傳感器信號先經(jīng)過CR 高通網(wǎng)絡(luò)去掉直流和低頻成分,并加入一個(gè)直流offset,也就是一個(gè)穩(wěn)定的直流分量疊加一個(gè)交流分量,再與一個(gè)設(shè)定的直流分量進(jìn)行比較,如果交流分量的峰值超過 offset 與設(shè)定值之差 ,比較器就會(huì)輸出一個(gè)方波脈沖 ,否則輸出 0;然后通過 RC 低通網(wǎng)絡(luò) ,使方波脈沖的交流分量盡可能的減小 ,變成某個(gè)直流電壓 V(>0), 再與另一個(gè)設(shè)定值 (<V) 比較 ,輸出低電平 .如果沒有交流輸入 ,第一級比較器輸

6、出 0,第二級比較器輸出高電平 ,如下表所示 :（仿真結(jié)果）器 12器 2這種電路可以在未飽和的情況下抵御外界非交流光以及瞬間光（如閃光燈）的干擾，但收到高頻光的干擾時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。四使用 LM567 的調(diào)制傳感器LM567 是一種廉價(jià)的音頻鎖相環(huán)集成電路，利用它可以構(gòu)造性能較好的反射式光電傳感器。如下頁圖所示，由LM567 的內(nèi)部振蕩器提供方波信號，點(diǎn)亮探頭的LED ，由探頭的光敏管接收反射光。經(jīng)三極管放大， 轉(zhuǎn)換成電壓信號后送到 LM567 的內(nèi)部鑒相器 2（輸出鑒相器） 同步解調(diào)， 然后由 LM567 內(nèi)部的比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。并聯(lián)負(fù)反饋放大電路有著穩(wěn)定的增益和低的輸入阻抗，能消除光敏

7、管結(jié)電容的影響，獲得良好的高頻特性。200K 電位器（ R6,200K adjustable ） 用于調(diào)節(jié)放大器增益以調(diào)節(jié)靈敏度。在 outi 和 outo 之間的 510K 電阻和 1000p 電容用于給比較器添加 50mV 的滯回，消除調(diào)制頻率紋波造成的輸出抖動(dòng)。其中 1000p 電容的作用是補(bǔ)償 C1 的影響，加快輸出跳變。這個(gè)電路的缺點(diǎn)是當(dāng)多個(gè)探頭同時(shí)使用時(shí)因?yàn)轭l率接近，一旦相鄰單元的光斑出現(xiàn)部分重合就會(huì)有差拍干擾造成輸出抖動(dòng)。另外， 567 輸出鑒相器的參考信號是從振蕩電容端引出的，與發(fā)射和接收信號幾乎是正交的，解調(diào)效率非常低，前級需要高倍放大。3為了解決上述多個(gè)探頭臨近的問題，在使

8、用多組傳感器時(shí)，做了如下圖的改動(dòng)：單獨(dú)用一個(gè)單元 （圖中右邊的567）作振蕩 ,給其余 4 個(gè)單元（圖中只畫了一個(gè)）提供同步的時(shí)鐘信號，消除了差拍問題。而且時(shí)鐘信號既接到振蕩電容端又用來控制輸出放大管點(diǎn)亮探頭照明的 LED ，使得參考信號與發(fā)射和接收信號的相差非常小，解調(diào)效率大大提高，最大探測距離有所增加。注意探頭的連線要短，如果連線較長要分別屏蔽，最好把電路板跟探頭做在一起。否則發(fā)射管連線上大幅度的脈沖信號會(huì)感應(yīng)耦合到接收端，導(dǎo)致在沒有接收光的情況下也誤認(rèn)為收到了光信號，這種同頻干擾無法用電路板上的設(shè)計(jì)來消除。4五 38k紅外避障電路采用左右兩個(gè)紅外傳感器。紅外傳感器，是目前使用比較普遍的一

9、種避障傳感器，其處理電路如圖4所示，通過調(diào)節(jié)R23、R24 兩個(gè)電位器，可調(diào)節(jié)兩個(gè)紅外傳感器的檢測距離為1080cm，開關(guān)量輸出（ TTL電平），簡單、可靠。我們采用這種電路，能可靠地檢測左前方、右前方、前方的障礙情況，為成功避障提供了保證圖中P1.1 那兒應(yīng)沒有節(jié)點(diǎn)。U7A12C2274HC14U7BU7CVCCR11R2334R213K956R722pF1M74HC14D674HC145021KY3P1.11N4148U7D38KR24R8C24R223K998R181K12KP1.0D774HC145022200pFD91N4148IRR47VCC D8R19R13R14R203K9IR

10、L100Q2Q3100C15100uFp1.290129012J8123圖 4紅外發(fā)射及接收處理電路1、38K 調(diào)制和發(fā)射電路。使用一個(gè)定時(shí)器的快速PWM 模式產(chǎn)生 38K調(diào)制信號，通過剩余的四個(gè)施密特觸發(fā)器（有2 個(gè)已經(jīng)用在光電編碼部分）緩沖，推動(dòng)8050 三極管和紅外發(fā)光管來發(fā)射已經(jīng)調(diào)制的紅外線。其中2 個(gè) 1N4148 接單片機(jī) IO腳，控制左右紅外發(fā)光管輪流發(fā)射。后面串接的可見光LED 是為了方便用戶調(diào)試而設(shè)置的，讓用戶知道當(dāng)前是否在發(fā)射紅外線。通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，調(diào)節(jié)紅外發(fā)光管的亮度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)感知障礙物距離的功能。52、一體化接收部分。這部分很簡單，平時(shí)接受頭輸出高電平，檢測

11、到反射回來的紅外線后輸出低電平。63、發(fā)現(xiàn)障礙物指示部分。通過單片機(jī)接受到一體化接受頭的信號，判斷障礙物在哪邊，然后點(diǎn)亮2 個(gè) LED ，方便調(diào)試，這 2 個(gè) LED 和發(fā)射部分的指示LED 可以使用貼片LED做在主板上即可。7.六 偽隨機(jī)編碼的調(diào)制傳感器（方案）該方案的硬件比較簡單，不加詳述，總體結(jié)構(gòu)如下：發(fā)端 : 2051=> 驅(qū)動(dòng) =>LED收端 : 光電管 =>( 放大 )=> 高通 =>過門限檢測 =>2051關(guān)鍵的問題是怎樣判斷是否有反射。比如向發(fā)光管發(fā)送一串8bit 的隨機(jī)數(shù)， 從接收管讀出， 如果相符，說明有反射；如果無關(guān)（具體判斷的算法有待

12、設(shè)計(jì)）說明無反射；如果部分相關(guān)，則保持原狀。具體算法的實(shí)現(xiàn)可能要設(shè)計(jì)一個(gè)較為簡單快速的判斷相關(guān)度的程序。七 使用 ADC 的傳感器電路這種方案就是讓發(fā)光管亮滅交替,用 ADC （模數(shù)轉(zhuǎn)換器）分別檢測亮暗時(shí)光電流的值,然后送到單片機(jī)進(jìn)行相減，再根據(jù)某些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。這樣，就抵消了環(huán)境噪聲，消除了干擾。光電管的飽和問題仍舊是這個(gè)電路的問題，并且，當(dāng)干擾頻率接近發(fā)光管調(diào)制頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生差拍或出錯(cuò)。下圖是一個(gè)利用ADC 做的 RGB 三分量顏色傳感器電路：89C2051 作為主控，控制紅綠藍(lán)三個(gè)發(fā)光管依次點(diǎn)亮，一個(gè)周期分別是紅，綠，藍(lán)，全滅。在每次改變之前，對光電管進(jìn)行 ADC 采樣，讀取相關(guān)顏色的分量

13、，分別是紅，綠，藍(lán)，暗分量，然后用三原色分量分別減去暗分量，這樣就消除了環(huán)境光的干擾。最后通過相應(yīng)的算法，判斷出反光物的顏色。八 模擬差動(dòng)放大型傳感器電路（方案）8脈沖源發(fā)光管光電管二選一保持模 擬 多路開關(guān)保持差放比較基準(zhǔn)輸出類似于使用ADC 的方案，該方案也是對亮暗分別采樣。但不同的是，該方案采用了采樣保持和模擬相減。運(yùn)放作為差動(dòng)放大，有良好的共模抑制，不會(huì)像ADC 那樣為減小飽和，照顧大的共模信號而擴(kuò)大量程降低精度。因此該方案可以兼顧飽和現(xiàn)象和靈敏度，解決了這一矛盾。對于較快的采樣，可以簡單的使用高輸入阻抗的運(yùn)放本身加一個(gè)小電容進(jìn)行保持。缺點(diǎn)是仍不能抑制高頻干擾。九 使用 D 觸發(fā)器進(jìn)行

14、邊沿檢測的傳感器電路也是讓發(fā)光管亮暗交替 ,但亮的時(shí)間很短 ,電流很大 ,亮度很高 ,把接收端門限調(diào)的很高 ,然后用 D 觸發(fā)器進(jìn)行邊沿檢測。這樣可以屏蔽外界一般強(qiáng)度光（可以是高頻的）的干擾，而耗電不會(huì)增加。但如果使用簡單的比較型電路，加大電流就會(huì)增大功耗，甚至燒毀發(fā)光管。十 下圖是一個(gè)成品光電開關(guān),就是光電管 =>兩級交流放大 =>CD4013 檢測 這種方式的 ,CD4013 的另一個(gè)單元 D 觸發(fā)器作方波振蕩源 ,通過驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng) LED ?？梢钥闯觯?LED 的限流電阻是 20 歐，短時(shí)間通過 LED 的電流很大。傳感器的輸出接口問題TTL 電壓工作的推挽輸出傳感器接5V

15、電源的單片機(jī)9TTL 電壓工作的傳感器可以直接輸出到單片機(jī)，但為了避免不慎從單片機(jī)該端口輸出低電平，可以在傳感器和單片機(jī)之間接一個(gè)1K 左右的電阻。開路輸出的傳感器接51 單片機(jī)如果完全開路輸出，可以直接接到單片機(jī)上，如果使用P0 口應(yīng)該加上拉電阻；如果傳感器內(nèi)置上拉電阻而且高電平時(shí)高于5V ，可以從單片機(jī)到傳感器端口接一個(gè)肖特基二極管，防止高壓灌入單片機(jī)。上面圖中的成品傳感器就是這種接口的。非 TTL 電壓推挽輸出的傳感器接51 單片機(jī)這種接口的基本做法就是串入電阻進(jìn)行限流防止輸出沖突；單片機(jī)端用穩(wěn)壓二極管進(jìn)行限壓防止輸入過壓。這 3 種情況如下圖所示：反射式光電傳感器探頭的制作1.發(fā)光二極

16、管（LED ）的介紹做傳感器的LED 要求亮度高，顏色合適，光斑形狀合適。為了防止LED 損壞 ,應(yīng)該注意 :1.LED 的伏安特性曲線很陡,測試和使用時(shí)一定要串聯(lián)電阻限制電流. 2.氮化鎵材料的高亮度LED 容易被反向電壓,靜電或電源尖峰擊穿損壞,電源電壓較高時(shí)不可反接.不同的管子允許的工作電流不同。紅外的平均電流最大可以用到100 毫安，用作調(diào)制時(shí)幾十微秒的窄脈沖峰值甚至可以接近1 安。3 毫米的白色高亮度管子持續(xù)最大電流20 毫安，一般低亮度的管子要小一些。工作電流的限制一是發(fā)熱限制平均電流，二是高電流下亮度飽和限制峰值電流。有些管子電流大了之后還會(huì)變色。常用的LED 有紅外，紅，橙，黃

17、，黃綠，純綠，藍(lán)，紫，紫外，白等顏色。作為成品銷售的“變色LED ”是在一個(gè)管殼（通常是乳白色的，用于使光線混合均勻）里封裝了多個(gè)不同顏色的LED ，紅，綠，藍(lán)三色的LED 非常適合作顏色傳感器的照明。紅外線 LED 配合紅外接收管抗干擾能力強(qiáng)，但是不適合用于識別顏色，因?yàn)槲矬w在可見光下的顏色不能很好的代表它對于紅外線的反射率。驗(yàn)鈔用的管子發(fā)光含有紫色光和紫外線，點(diǎn)亮?xí)r不要正對著眼睛長時(shí)間觀看。更適合做傳感器。（顏色識別時(shí)，乳白色管殼比無色透明管殼還要好。 ）管殼有色的管子適合管殼無色透明的管子透光性能好一些，散射小，做指示燈。直徑5 毫米的管子品種較多，亮度較高，發(fā)出的光束比直徑3 毫米的管

18、子要集中（頂角?。?，照在物體上光斑小，更適合用來識別白線。LED 的伏安特性曲線很陡 ,可以作穩(wěn)壓用 ,給電路提供基準(zhǔn)電壓.紅色的大約1.8V,藍(lán)色的可以超過3V 。各種 LED 的材料，顏色與亮度：LED 發(fā)光的原理是半導(dǎo)體PN 結(jié)中的電子與空穴復(fù)合時(shí)產(chǎn)生光子。不同的材料由于能帶寬度不同,導(dǎo)10致發(fā)光顏色和導(dǎo)通電壓不同。另外，不同材料的發(fā)光效率（一般以量子效率衡量，量子效率=發(fā)射的光子數(shù)/流過的電子數(shù)）也有極大的差別。材料發(fā)光顏色量子效率 (與工藝有關(guān)，這里是典型值 )砷化鎵 GaAs紅外高， 30%磷砷化鎵 GaAsP紅中， 10%（購買時(shí)稱為普通）橙，黃隨含磷量增加，波長變短，效率遞減磷

19、化鎵摻雜氮 GaP:N黃綠低，不到1%（購買時(shí)稱為普通）磷化鎵摻雜氧化鋅GaP:ZnO紅到黃 中低（購買時(shí)稱為普通）鋁砷化鎵 AlGaAs鮮紅中高（購買時(shí)稱為高亮度）鋁鎵銦磷 AlGaInP橙紅高， 30%（購買時(shí)稱為超高亮度）氮化鎵 GaN(含 In)從純綠到紫外高， 20%（購買時(shí)稱為高或超高亮度）GaN ，管芯外涂熒光粉紫+黃 =白高（購買時(shí)稱為高或超高亮度） 。2.接收管的介紹。常用的接收管有硅光電二極管，硅光電三極管，光敏電阻三種。光電二極管產(chǎn)生的電流?。ㄎ布墸?，需要高倍放大，但是速度很高，可以高頻調(diào)制。在遮光狀態(tài)下的特性類似普通二極管。使用時(shí)加反向電壓，輸出與光照強(qiáng)度近似成正比的

20、光電流。光電三極管一般基極不引出，只有兩根管腳，購買的時(shí)候叫做光敏管。光電三極管產(chǎn)生的電流較大 （幾百微安以上） ，無需前置高倍放大， 但是速度較低， 調(diào)制頻率低于 100KHz 。遮光狀態(tài)下正反向電阻都很大，用強(qiáng)光（比如臺燈）照射，可以測出一個(gè)方向的電阻明顯變小，這個(gè)方向是正向。使用時(shí)加正向電壓 >1V ，輸出與光照強(qiáng)度近似成正比的光電流。這些光電接收管的外殼有無色透明和黑色兩種， 黑色管殼幾乎只透過紅外光， 與紅外發(fā)光管配套使用。光敏電阻的電特性是電阻而不是恒流，受到光照后電阻值大幅度減小，輸出電流也較大，數(shù)量級類似光電三極管。工作頻率一般較低，但也有高的。在使用上最重要的區(qū)別在于光

21、敏電阻接受光照的是一個(gè)平面，沒有管殼聚光，方向性差。一般用在不區(qū)分光照方向或者要降低成本的電路里。接收管的光譜特性：光電二極管，光電三極管都是半導(dǎo)體PN 結(jié)光電元件，靠內(nèi)光電效應(yīng)接收光線，因此入射光子能量超過材料能帶寬度才能被接收，表現(xiàn)在它的光譜 -靈敏度特性在長波方向有一個(gè)陡的截止。在短波方向如果波長太短，靈敏度也會(huì)下降。一般的硅管最適合用在紅外到紅黃光范圍內(nèi)，但是可以一直用到近紫外。另類的應(yīng)用：用發(fā)光二極管當(dāng)光電二極管，它的材料能帶較寬，只接收短波的可見光。理論上可以用于識別顏色。某些光敏電阻對于可見光中間部分的靈敏度較高。加裝濾色片（可以用玻璃紙）可以方便的改變管子的光譜特性以制造各種顏色傳感器。3傳感器探頭的實(shí)際制作1）識別白線：可以用白色管子。如果背景是綠色，紅光比較好用，紅外也行。但是背景有紅綠藍(lán)各種顏色特別是紅色時(shí)，紅光的區(qū)分度就不大了。比如 Robocon 比賽的紅色或者藍(lán)色的出發(fā)區(qū)。這次我們校隊(duì)就因?yàn)闆]有注意這個(gè)問題而吃了大虧。在這種情況下可以用藍(lán)色，紅色或紫色（驗(yàn)鈔用，含紫外線）的管子。幾何形狀是發(fā)射管和接收管一個(gè)直立一個(gè)傾斜，指向同一個(gè)位置以消除鏡面反射光。11這些管子可以焊在一小塊電路板上,在前端套上熱縮套管減小光線發(fā)散,這樣做成探頭,但是這樣既不堅(jiān)固準(zhǔn)確又