紅外反射式傳感器.DOC

1、機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。自動(dòng)尋跡是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV auto-guided vehicle）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)規(guī)避障礙，選擇 正確的行進(jìn)路線。采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo)，使用傳感器感知導(dǎo) 引線和障礙判斷。2 傳感器選擇實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺和接近覺功能有多種方式：1）可使用CCD攝像頭進(jìn)行圖象采集和識(shí)別方法，但是不適用在小體積系統(tǒng)使用，并且還涉及圖象采集、圖 象識(shí)別等領(lǐng)域。2）電容式接近傳感器，基于檢測(cè)對(duì)象表面靠近傳感元件時(shí)的電 容變化。3）超聲波傳感器，根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過程中所受

2、到的影響來 檢測(cè)物體的接近程度。4 ）紅外反射式光電傳感器，它包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光 的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。根據(jù)使用場(chǎng)合的具體情況，傳感器要感知的對(duì)象是物體的有無和物體的接近 程度，與精確的測(cè)距系統(tǒng)有相似之處，但又有不同，只要求判斷出簡(jiǎn)單的閾值或 提供遠(yuǎn)、近分檔的距離。因此使用較簡(jiǎn)單的接近傳感器實(shí)現(xiàn)小車尋跡和避障是有 依據(jù)可循的并且是可行的。為了簡(jiǎn)單起見，系統(tǒng)中使用了八個(gè)紅外反射式光電傳 感器，其中三個(gè)用于尋跡，三個(gè)用于障礙判斷，兩個(gè)用于主動(dòng)輪測(cè)速。3 紅外反射式光電傳感器特性與工作原理反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)光二

3、極 管，以及激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾， 而激光二極管發(fā)出 的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號(hào)，不容易被干擾但價(jià)格較 貴。理論上光電傳感器只要位于被測(cè)區(qū)域反射表面可受到光源照射同時(shí)又能被接 收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測(cè)，然而這是一種理想的結(jié)果。因?yàn)楣獾姆瓷涫艿?多種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確 定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測(cè)量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，采用對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測(cè)量 原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射， 光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)，原理如 圖1.所示。反4x

4、x/mm圖2 光強(qiáng)度相應(yīng)曲線圖1紅外發(fā)射接收原理反射光強(qiáng)度的輸出信號(hào)電壓Vout是反射面與傳感器之間距離x的函數(shù)，設(shè) 反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時(shí)，x與Vout的響應(yīng)曲線是非線性的，如圖2所示。設(shè) 定輸出電壓達(dá)到某一閾值時(shí)作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。4 具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)接近覺傳感器應(yīng)用場(chǎng)合不同選擇不同， 感覺的距離范圍不同，可從幾毫米到 幾米。對(duì)于自動(dòng)尋跡和小車輪子的測(cè)速傳感器，反射距離都在1cm左右，探測(cè)環(huán)境都在陰影之下，不易受到日光的干擾。因此，這兩種探測(cè)的傳感器都選用 FS-359F反射紅外傳感器，048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。對(duì)于障 礙物的檢測(cè)，可以使用超聲波傳感器，

5、效果也較好，但電路系統(tǒng)龐大，還需占用 大量MCU時(shí)間。上文的激光傳感器雖然性能不錯(cuò)，但價(jià)格較貴。從需要5 10cm 垂直探測(cè)距離的要求來看，普通的紅外反射式傳感器又很難勝任。 在對(duì)6個(gè)型號(hào) 的傳感器測(cè)試后，選用了價(jià)格、性能基本適合的043W封裝的反射紅外傳感器。在使用約40 mA的發(fā)射電流，沒有強(qiáng)烈日光干擾（在有日光燈的房間里）探測(cè) 距離能達(dá)8 cm，完全能滿足探測(cè)距離要求。紅外傳感器的電路有多種形式，在 這里為了安裝調(diào)試方便，我們采用了圖 3的電路形式。反4反4圖3紅外光電傳感器電路圖4尋跡傳感器安裝位置示意圖傳感器的使用數(shù)量應(yīng)該盡量少以減少單片機(jī)的信號(hào)處理量，尋跡小車一共安 裝有八個(gè)紅外光

6、電傳感器，選用運(yùn)算放大器LM324，光電傳感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)放大器放大整形送微處理器判斷、 運(yùn)算、控制。LM324是14腳DIP封裝，內(nèi) 置四個(gè)運(yùn)算放大器的集成器件，用兩個(gè) LM324便能完成所有傳感器與 MCU的 連接，并且電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，波形規(guī) 則，調(diào)試簡(jiǎn)單。尋跡用接近傳感器安裝位置如圖 4所 示，A、C傳感器騎在黑線兩測(cè)用于檢測(cè)是 否跑偏，E傳感器在黑線范圍內(nèi)用于輔助檢 測(cè)，以確保小車機(jī)器人隨時(shí)在以如圖 4的狀 態(tài)運(yùn)行。傳感器狀態(tài)決定下一步的運(yùn)行方 式，具體可參見程序設(shè)計(jì)中的相關(guān)內(nèi)容。測(cè)障礙傳感器安裝位置分別位于小車 前、左、右三個(gè)方向，用于檢測(cè)前方、左邊和右邊的障礙。測(cè)速度傳感器

7、安裝在緊靠車輪兩側(cè)系統(tǒng)控制由微處理器完成，微處理器采用ATMEL公司的單片機(jī)AT89C2051，AT89C2051是一個(gè)只有20引腳的芯片，其相對(duì)AT89C51減少了兩個(gè)對(duì)外端口 P0和P2，適合于對(duì)端口數(shù)量要求不高的小型系統(tǒng)。由內(nèi)部引腳可知P1.0和P1.1都沒有內(nèi)部上拉電阻，在需要對(duì)外輸出電流時(shí)要外接上拉電阻，這GHDAT89C205)圖3紅外光電傳感器電路點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該特別引起注意。各I/O 口的 最大吸收電流為25mA，能直接驅(qū)動(dòng)LED。 軟件能與AT89C51系列兼容。綜上所述， AT89C2051能夠達(dá)到我們期望的功能和性 能要求，圖5給出了它的典型連接方式。其 中VCC的電壓范圍

8、為2.3V-6V，保證電源 在較寬的范圍使用。C1、R1、R2、S2構(gòu) 成上電/手動(dòng)復(fù)位電路。S2VCC QU3Jim1* =斗KI101t211ceT4* 10XTAL2Cl 22uP3.0(RZD)P3.0(TKD)P3.2(INT0) P3,3(INTl)P3.4(TO) XTAL1 P3.5(T1) GNDP3 7VCCRST1314151617181923678911PL_OPl .1Pl衛(wèi)Pl 3PI. 4Pl 3PL6Pl.7GHDAT89C205)自主式尋跡、避障智能小車的硬件設(shè)圖 5 AT89C2051 單片機(jī)接線與引腳圖計(jì)包括了傳感器測(cè)量電路、 控制處理器 電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電

9、路、顯示處理器電路，以及電源、顯示部分。系統(tǒng)中采用了電 機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，電機(jī)速度采用 PWM 方式進(jìn)行脈寬調(diào) 制控制。程序設(shè)計(jì)主要考慮穩(wěn)定性、 抗干擾性，主程序主要起到導(dǎo)向和決策功能， 決定什么時(shí)候機(jī)器人該做什么。各種功能的實(shí)現(xiàn)通過調(diào)用具體的子程序，包括： 尋跡、90 °轉(zhuǎn)向、直線前進(jìn)、 顯示、延時(shí)、定時(shí)等。 由于篇幅限制這里不再敘述。 5結(jié)束語紅外反射式傳感器在自主式尋跡、 避障機(jī)器人上的應(yīng)用說明， 用光電傳感器 作為機(jī)器人的近距離感覺傳感器是可行的，當(dāng)距離小于 10mm 時(shí)，有較好的可 靠性和抗干擾能力， 而傳感器的探頭尺寸僅為幾個(gè)毫米， 特別適合小型化， 在相 應(yīng)的智能控制系統(tǒng)中可進(jìn)行有意義的嘗試。