紅外尋跡避障電路總結

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器人中有著廣泛的應用。可以用來檢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，自帶一個光源和一個光接收裝置，光源發(fā)出的光經過待測物體的反射被光敏元件接收，再經過相關電路的處理得到所需要的信息。相應的，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。二、 簡單比較型光電傳感器 在上左圖中，JP1是光電管，接收光強在上面轉換成電流，在R上成為電壓信號，與RA1的標準值進行比較，從LM339輸出邏輯電平給單片機。R越大，光電流產生的電壓變化越大，傳感器也就越靈敏。但是若R過大，當光比較強的

2、時候，R上的電壓會達到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，飽和只會使強光與強光難以分辨，但仍可以區(qū)分強光和弱光，它并不是影響比較結果的重要因素。但在后面介紹的幾種調制型傳感器中，飽和是必須避免的，因為它會掩蓋交流分量。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，這個電阻可以省略。假如把光敏管放在下邊,電阻放在上邊。這樣當光線較暗時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（LM339的共模輸入電壓最低能低到

3、0，但是最高達不到VCC），因此靈敏度做不高。為了使比較器正常工作，電阻值應使得光照時比較器輸入電壓Vi大幅下降，滿足VCC-I*R<Vm（I是光電流），就是I*R>VCC-Vm。這樣，光再強一點，I*R接近VCC,Vi就會降到0附近，光敏管就會飽和，降低了區(qū)分顏色的可靠性。而現在把光敏管放在上邊,電阻放在下邊，就可以解決這個問題：這時Vi=I*R,使用較小的R可以保證Vi<Vm<VCC,不會發(fā)生電壓范圍溢出或者光敏管飽和。這時為了保證光照與輸出有相同的邏輯關系（光照時輸出低電平，指示燈亮），比較器的同相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/

4、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??；反之亦然。這個負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或設置比較高的基準電壓，只有很強的光輸入才能觸發(fā)電路。這時在恒流源中三極管的發(fā)射極電阻上并聯一個電容后，就可以用單片機控制探頭照明的LED發(fā)出短而強的光脈沖并進行隨機調制和解調，提高抗干擾能力，成為調制型傳感器電路的一種。三 高通濾波型光電傳感器光源是用一個脈沖振蕩電流去點亮發(fā)光二極管，電路圖沒有畫出，可以使用任何一種振蕩電路，平均電流根據發(fā)

5、光二極管的參數可以取到20mA左右。接收部分是這樣工作的:傳感器信號先經過CR高通網絡去掉直流和低頻成分,并加入一個直流offset,也就是一個穩(wěn)定的直流分量疊加一個交流分量,再與一個設定的直流分量進行比較,如果交流分量的峰值超過offset與設定值之差,比較器就會輸出一個方波脈沖,否則輸出0;然后通過RC低通網絡,使方波脈沖的交流分量盡可能的減小,變成某個直流電壓V(>0),再與另一個設定值(<V)比較,輸出低電平.如果沒有交流輸入,第一級比較器輸出0,第二級比較器輸出高電平,如下表所示:（仿真結果）輸入輸出比較器1比較器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（

6、如閃光燈）的干擾，但收到高頻光的干擾時會產生誤動作。四 使用LM567的調制傳感器LM567是一種廉價的音頻鎖相環(huán)集成電路，利用它可以構造性能較好的反射式光電傳感器。如下頁圖所示，由LM567的內部振蕩器提供方波信號，點亮探頭的LED，由探頭的光敏管接收反射光。經三極管放大，轉換成電壓信號后送到LM567的內部鑒相器2（輸出鑒相器）同步解調，然后由LM567內部的比較器轉換為數字輸出。并聯負反饋放大電路有著穩(wěn)定的增益和低的輸入阻抗，能消除光敏管結電容的影響，獲得良好的高頻特性。200K電位器（R6,200K adjustable） 用于調節(jié)放大器增益以調節(jié)靈敏度。在outi和outo之間的51

7、0K電阻和1000p電容用于給比較器添加50mV的滯回，消除調制頻率紋波造成的輸出抖動。其中1000p電容的作用是補償C1的影響，加快輸出跳變。這個電路的缺點是當多個探頭同時使用時因為頻率接近，一旦相鄰單元的光斑出現部分重合就會有差拍干擾造成輸出抖動。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，解調效率非常低，前級需要高倍放大。為了解決上述多個探頭臨近的問題，在使用多組傳感器時，做了如下圖的改動：單獨用一個單元（圖中右邊的567）作振蕩,給其余4個單元（圖中只畫了一個）提供同步的時鐘信號，消除了差拍問題。而且時鐘信號既接到振蕩電容端又用來控制輸出放大管點

8、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感應耦合到接收端，導致在沒有接收光的情況下也誤認為收到了光信號，這種同頻干擾無法用電路板上的設計來消除。五 38k紅外避障電路采用左右兩個紅外傳感器。紅外傳感器，是目前使用比較普遍的一種避障傳感器，其處理電路如圖4所示，通過調節(jié)R23、R24兩個電位器，可調節(jié)兩個紅外傳感器的檢測距離為1080cm，開關量輸出（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

9、礙情況，為成功避障提供了保證圖中P1.1那兒應沒有節(jié)點。圖4 紅外發(fā)射及接收處理電路1、38K調制和發(fā)射電路。使用一個定時器的快速PWM模式產生38K調制信號，通過剩余的四個施密特觸發(fā)器（有2個已經用在光電編碼部分）緩沖，推動8050三極管和紅外發(fā)光管來發(fā)射已經調制的紅外線。其中2個1N4148接單片機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是為了方便用戶調試而設置的，讓用戶知道當前是否在發(fā)射紅外線。通過調節(jié)PWM的占空比，調節(jié)紅外發(fā)光管的亮度，從而實現調節(jié)感知障礙物距離的功能。 2、一體化接收部分。這部分很簡單，平時接受頭輸出高電平，檢測到反射回來的紅外線后輸出低電平。 3

10、、發(fā)現障礙物指示部分。通過單片機接受到一體化接受頭的信號，判斷障礙物在哪邊，然后點亮2個LED，方便調試，這2個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。 .六 偽隨機編碼的調制傳感器（方案）該方案的硬件比較簡單，不加詳述，總體結構如下：發(fā)端: 2051=>驅動=>LED收端: 光電管=>(放大)=>高通=>過門限檢測=>2051關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的隨機數，從接收管讀出，如果相符，說明有反射；如果無關（具體判斷的算法有待設計）說明無反射；如果部分相關，則保持原狀。具體算法的實現可能要設計一個較為簡

11、單快速的判斷相關度的程序。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（模數轉換器）分別檢測亮暗時光電流的值,然后送到單片機進行相減，再根據某些標準進行判斷。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電路的問題，并且，當干擾頻率接近發(fā)光管調制頻率時會產生差拍或出錯。下圖是一個利用ADC做的RGB三分量顏色傳感器電路：89C2051作為主控，控制紅綠藍三個發(fā)光管依次點亮，一個周期分別是紅，綠，藍，全滅。在每次改變之前，對光電管進行ADC采樣，讀取相關顏色的分量，分別是紅，綠，藍，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

12、的算法，判斷出反光物的顏色。八 模擬差動放大型傳感器電路（方案）脈沖源發(fā)光管光電管二選一模擬多路開關保持保持差放比較基準輸出類似于使用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。運放作為差動放大，有良好的共模抑制，不會像ADC那樣為減小飽和，照顧大的共模信號而擴大量程降低精度。因此該方案可以兼顧飽和現象和靈敏度，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放本身加一個小電容進行保持。缺點是仍不能抑制高頻干擾。九 使用D觸發(fā)器進行邊沿檢測的傳感器電路也是讓發(fā)光管亮暗交替,但亮的時間很短,電流很大,亮度很高,把接收端門限調的很高,然后用D觸發(fā)

13、器進行邊沿檢測。這樣可以屏蔽外界一般強度光（可以是高頻的）的干擾，而耗電不會增加。但如果使用簡單的比較型電路，加大電流就會增大功耗，甚至燒毀發(fā)光管。十 下圖是一個成品光電開關,就是光電管=>兩級交流放大=>CD4013檢測 這種方式的,CD4013的另一個單元D觸發(fā)器作方波振蕩源,通過驅動電路帶動LED。可以看出，LED的限流電阻是20歐，短時間通過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電源的單片機TTL電壓工作的傳感器可以直接輸出到單片機，但為了避免不慎從單片機該端口輸出低電平，可以在傳感器和單片機之間接一個1K左右的電阻。開路輸出的傳感器接5

14、1單片機如果完全開路輸出，可以直接接到單片機上，如果使用P0口應該加上拉電阻；如果傳感器內置上拉電阻而且高電平時高于5V，可以從單片機到傳感器端口接一個肖特基二極管，防止高壓灌入單片機。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單片機這種接口的基本做法就是串入電阻進行限流防止輸出沖突；單片機端用穩(wěn)壓二極管進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,應該注意:1.LED的伏安特性曲線很陡,測試和使用時一定要串聯電阻限制電流. 2.氮化鎵材料的

15、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，用作調制時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變色。常用的LED有紅外，紅，橙，黃，黃綠，純綠，藍，紫，紫外，白等顏色。作為成品銷售的“變色LED”是在一個管殼（通常是乳白色的，用于使光線混合均勻）里封裝了多個不同顏色的LED，紅，綠，藍三色的LED非常適合作顏色傳感器的照明。紅外線LED

16、配合紅外接收管抗干擾能力強，但是不適合用于識別顏色，因為物體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。驗鈔用的管子發(fā)光含有紫色光和紫外線，點亮時不要正對著眼睛長時間觀看。更適合做傳感器。（顏色識別時，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毫米各種LED的材料，顏色與亮度：LED發(fā)光的原理是半導體PN結中的電子與空穴復合時產生光子。不同的材料由于能帶寬度不同,導致發(fā)光顏色和導通電壓不同。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/流過的電子數

17、）也有極大的差別。材料 發(fā)光顏色 量子效率(與工藝有關，這里是典型值)砷化鎵GaAs 紅外 高，30%磷砷化鎵GaAsP 紅 中，10% （購買時稱為普通）橙，黃 隨含磷量增加，波長變短，效率遞減磷化鎵摻雜氮GaP:N 黃綠 低，不到1%（購買時稱為普通）磷化鎵摻雜氧化鋅GaP:ZnO 紅到黃 中低（購買時稱為普通）鋁砷化鎵AlGaAs 鮮紅 中高（購買時稱為高亮度）鋁鎵銦磷AlGaInP 橙紅 高，30%（購買時稱為超高亮度）氮化鎵GaN (含In) 從純綠到紫外 高，20%（購買時稱為高或超高亮度）GaN，管芯外涂熒光粉 紫+黃=白 高（購買時稱為高或超高亮度）。2.接收管的介紹。常用的接

18、收管有硅光電二極管，硅光電三極管，光敏電阻三種。光電二極管產生的電流?。ㄎ布墸枰弑斗糯螅撬俣群芨?，可以高頻調制。在遮光狀態(tài)下的特性類似普通二極管。使用時加反向電壓，輸出與光照強度近似成正比的光電流。光電三極管一般基極不引出，只有兩根管腳，購買的時候叫做光敏管。光電三極管產生的電流較大（幾百微安以上），無需前置高倍放大，但是速度較低，調制頻率低于100KHz。遮光狀態(tài)下正反向電阻都很大，用強光（比如臺燈）照射，可以測出一個方向的電阻明顯變小，這個方向是正向。使用時加正向電壓>1V，輸出與光照強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

19、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)別在于光敏電阻接受光照的是一個平面，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體PN結光電元件，靠內光電效應接收光線，因此入射光子能量超過材料能帶寬度才能被接收，表現在它的光譜-靈敏度特性在長波方向有一個陡的截止。在短波方向如果波長太短，靈敏度也會下降。一般的硅管最適合用在紅外到紅黃光范圍內，但是可以一直用到近紫外。另類的應用：用發(fā)光二極管當光電二

20、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。但是背景有紅綠藍各種顏色特別是紅色時，紅光的區(qū)分度就不大了。比如Robocon比賽的紅色或者藍色的出發(fā)區(qū)。這次我們校隊就因為沒有注意這個問題而吃了大虧。在這種情況下可以用藍色，紅色或紫色（驗鈔用，含紫外線）的管子。幾何形狀是發(fā)射管和接收管一個直立一個傾斜，指向同一個位置以消除鏡面反射光。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,但是這樣既不堅固準確又不抗干擾,最麻煩的是多個探頭作成陣列使用時性能不一致。較好的做法是在一個鋁塊或木塊上