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(hào)，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)光比較強(qiáng)的

2、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(duì)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（LM339的共模輸入電壓最低能低到

3、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*RVCC-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ViVm0),再與另一個(gè)設(shè)定值(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設(shè)計(jì)）說明無反射；如果部分相關(guān)，

4、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(duì)光電管進(jìn)行ADC采樣，讀取相關(guān)顏色的分量，分別是紅，綠，藍(lán)，暗分量，然后用三原色分量分別減去

5、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）脈沖源發(fā)光管光電管二選一模擬多路開關(guān)保持保持差放比較基準(zhǔn)輸出類似于使用ADC的方案，該方案也是對(duì)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(hào)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(duì)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

6、,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(jí)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?？梢钥闯觯琇ED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電源的單片機(jī)TTL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

7、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

8、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，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

9、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(shí)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(duì)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(duì)著眼睛長時(shí)間觀看。更適合做傳感器。（顏色識(shí)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毫米的管子要集中（頂角?。赵谖矬w上光斑小，更適合用來識(shí)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

10、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)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

11、%（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?jí)），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（

12、比如臺(tái)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(jí)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(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)

13、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(shí)別顏色。某些光敏電阻對(duì)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(shí)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)

14、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。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)確又不抗干擾,最麻煩的是多個(gè)探頭作成陣列使用時(shí)性能不一致。較好的做法是在一個(gè)鋁塊或木塊上打孔后把管子插在里面，周圍圍上黑膠布遮光。探頭的光斑要小，這樣識(shí)別白線才準(zhǔn)確。相鄰的探頭距離要合適。探頭的布置是出于控制方便的考慮，一般是中間放一排探頭跟蹤白線，兩邊各一個(gè)數(shù)橫線。中間的這一排探頭要放在驅(qū)動(dòng)輪前面，距離盡量的遠(yuǎn)，數(shù)量盡量的多。因?yàn)檐嚿砥x白線的時(shí)候

15、是先有角度偏差再累積（積分）為橫向偏差，兩個(gè)相加后構(gòu)成探頭與白線的偏差。探頭越靠前，角度偏差占的比例越大，反饋的相位滯后越小，環(huán)路越容易穩(wěn)定，振蕩小。相反的，探頭靠后了就會(huì)振蕩的比較大甚至發(fā)散。探頭在最前面，驅(qū)動(dòng)輪在最后面，用2個(gè)探頭就能用了?？紤]到轉(zhuǎn)彎時(shí)可能產(chǎn)生比較大的橫向偏差，最好放3個(gè)。我們今年在比賽失敗的直接原因就是清障的小機(jī)器人跟蹤白線的探頭只有兩個(gè)，而且有兩個(gè)萬向輪，驅(qū)動(dòng)輪打滑嚴(yán)重。在自己搭的場地上從來沒出問題，但是一到北京就出問題不可收拾，結(jié)果障礙物無法清除，把沖頂機(jī)器人擋住了。探頭靠后了就要多放幾個(gè).如果放在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間就要放一長排,用PID算法.為了避免鏡面反射，如果使用平行的發(fā)光管和接收管，在指向待測點(diǎn)的前提下，應(yīng)