红外寻迹避障电路总结模板

光电传感器

一、 反射式光电传感器介绍
反射式光电传感器在机器人中有着广泛应用。能够用来检测地面明暗和颜色改变,也能够探测有没有靠近物体。这种光电传感器基础原理是,自带一个光源和一个光接收装置,光源发出光经过待测物体反射被光敏元件接收,再经过相关电路处理得到所需要信息。对应,光谱范围,灵敏度,抗干扰能力,输出特征等全部是反射式光电传感器关键参数。

二、 简单比较型光电传感器

在上左图中,JP1是光电管,接收光强在上面转换成电流,在R上成为电压信号,和RA1标准值进行比较,从LM339输出逻辑电平给单片机。

R 越大, 光电流产生电压改变越大,传感器也就越灵敏。不过若R过大, 当光比较强时候,R 上电压会达成VCC 而不再改变,这就是所谓饱和。在这种比较型传感器电路中,饱和只会使强光和强光难以分辨,但仍能够区分强光和弱光,它并不是影响比较结果关键原因。但在后面介绍多个调制型传感器中,饱和是必需避免,因为它会掩盖交流分量。高灵敏度和饱和是一对矛盾,在后面提到了部分相关处理方案。
LM339是开路输出, 10K电阻是为了使输出电压正确。假如后面是51之类开路输入单片机, 这个电

阻能够省略。

假如把光敏管放在下边,电阻放在上边。这么当光线较暗时比较器输入电压靠近VCC,超出比较器LM339能够正常工作最高输入电压Vm,比较器不能正常工作（LM339共模输入电压最低能低到0,不过最高达不到VCC）,所以灵敏度做不高。为了使比较器正常工作,电阻值应使得光照时比较器输入电压Vi大幅下降,满足VCC-I*R<Vm（I是光电流）,就是I*R>VCC-Vm。这么,光再强一点,I*R靠近VCC,Vi就会降到0周围,光敏管就会饱和,降低了区分颜色可靠性。

而现在把光敏管放在上边,电阻放在下边,就能够处理这个问题:这时Vi=I*R,使用较小R能够确保Vi<Vm<VCC,不会发生电压范围溢出或光敏管饱和。这时为了确保光照和输出有相同逻辑关系（光照时输出低电平,指示灯亮）,比较器同相和反相输入端要交换。

上图右为给发光管供电恒流电路(I=0.9V/R1),恒流工作过程是: D11 起稳压作用,假如电流偏大, R1 分压变大,T1VBE 降低, 使电流减小;反之亦然。这个负反馈过程使电流恒定,R1 上电压恒定在D11 压降和
路一个。

三高通滤波型光电传感器

光源是用一个脉冲振荡电流去点亮发光二极管,电路图没有画出,能够使用任何一个振荡电路,平均电流依据发光二极管参数能够取到20mA左右。

接收部分是这么工作:传感器信号先经过CR高通网络去掉直流和低频成份,并加入一个直流offset,也就是一个稳定直流分量叠加一个交流分量,再和一个设定直流分量进行比较,假如交流分量峰值超出offset和设定值之差,比较器就会输出一个方波脉冲,不然输出0;然后经过RC低通网络,使方波脉冲交流分量尽可能减小,变成某个直流电压V(>0),再和另一个设定值(<V)比较,输出低电平.假如没有交流输入,第一级比较器输出0,第二级比较器输出高电平,以下表所表示:（仿真结果）

这种电路能够在未饱和情况下抵御外界非交流光和瞬间光（如闪光灯）干扰,但收到高频光干扰时会产生误动作。

四使用LM567调制传感器
LM567是一个廉价音频锁相环集成电路,利用它能够结构性能很好反射式光电传感器。

以下页图所表示,由LM567内部振荡器提供方波信号,点亮探头LED,由探头光敏管接收反射光。

经三极管放大, 转换成电压信号后送到LM567内部鉴相器2（输出鉴相器）同时解调,然后由LM567 内部
比较器转换为数字输出。

并联负反馈放大电路有着稳定增益和低输入阻抗,能消除光敏管结电容影响,取得良好高频特征。200K电位器（R6,200Kadjustable）用于调整放大器增益以调整灵敏度。

在outi和outo之间510K电阻和1000p电容用于给比较器添加50mV滞回,消除调制频率纹波造成输出抖动。其中1000p电容作用是赔偿C1影响,加紧输出跳变。

这个电路缺点是当多个探头同时使用时因为频率靠近,一旦相邻单元光斑出现部分重合就会有差拍干扰造成输出抖动。另外,567输出鉴相器参考信号是从振荡电容端引出,和发射和接收信号几乎是正交,解调效率很低,前级需要高倍放大。

为了处理上述多个探头临近问题,在使用多组传感器时,做了以下图改动:

单独用一个单元（图中右边567）作振荡,给其它4个单元（图中只画了一个）提供同时时钟信号,

信号和发射和接收信号相差很小,解调效率大大提升,最大探测距离有所增加。
消除了差拍问题。而且时钟信号既接到振荡电容端又用来控制输出放大管点亮探头照明LED,使得参考

法用电路板上设计来消除。

五38k红外避障电路

采取左右两个红外传感器。红外传感器,是现在使用比较普遍一个避障传感器,其处理电路图4所表

示,经过调整R23、R24两个电位器,可调整两个红外传感器检测距离为10—80cm,开关量输出（TTL电平）,

简单、可靠。 我们采取这种电路,能可靠地检测左前方、右前方、 前方障碍情况,为成功避障提供了确

保图中P1.1那儿应没有节点。

U7A

1 2

74HC14 U7B U7C

C22 R11

3 4 R21 3K956 R23 R7
VCC

22pF 1M 502 1K

Y3 74HC14 D6 74HC14

38KP1.1 1N4148 U7D

C24

R18 R22 3K998 R24 R8

5021K

2200pF12K P1.0 D7 74HC14 D9

1N4148 IRR

VCC D8

47 R13 R14

R19

100 Q3 100

R20 3K9 IRL Q2

C15

100uF p1.2

90129012

J8 1

2

3

剩下四个施密特触发器（有2个已经用在光电编码部分）缓冲,推进8050三极管和红

外发光管来发射已经调制红外线。其中2个1N4148接单片机IO脚,控制左右红外

发光管轮番发射。后面串接可见光LED是为了方便用户调试而设置,让用户知道目

前是否在发射红外线。经过调整PWM占空比,调整红外发光管亮度,从而实现调整

感知障碍物距离功效。

线后输出低电平。

3、发觉障碍物指示部分。经过单片机接收到一体化接收头信号,判定障碍物在哪边,

然后点亮2个LED,方便调试,这2个LED和发射部分指示LED能够使用贴片LED

做在主板上即可。

.

该方案硬件比较简单, 不加详述,总体结构以下: 六伪随机编码调制传感器（方案）

收端:光电管=>(放大)=>高通=>过门限检测=>2051 关键问题是怎样判定是否有反射。比如向发光管发送一串8bit随机数, 从接收管读出,假如相符, 发端:2051=>驱动=>LED

说明有反射;假如无关（具体判定算法有待设计）说明无反射;假如部分相关,则保持原状。具体算法实现可能要设计一个较为简单快速判定相关度程序。

七使用ADC传感器电路
这种方案就是让发光管亮灭交替,用ADC（模数转换器）分别检测亮暗时光电流值,然后送到单片机进行相减,再依据一些标准进行判定。这么,就抵消了环境噪声,消除了干扰。光电管饱和问题依旧是这个电路问题,而且, 当干扰频率靠近发光管调制频率时会产生差拍或犯错。

C2051作为主控,控制红绿蓝三个发光管依次点亮,一个周期分别是红,绿,蓝,全灭。在每次改变之前,对光电管进行ADC采样,读取相关颜色分量,分别是红,绿,蓝,暗分量,然后用三原色分量分别减去暗分量,这么就消除了环境光干扰。最终经过对应算法,判定出反光物颜色。

八模拟差动放大型传感器电路（方案）

脉冲源 保持
路开关

比较

基准

差放

输出

类似于使用ADC 方案,该方案也是对亮暗分别采样。但不一样是,该方案采取了采样保持和模拟相减。运放作为差动放大,有良好共模抑制, 不会像ADC那样为减小饱和,照料大共模信号而扩大量程降低精度。所以该方案能够兼顾饱和现象和灵敏度,处理了这一矛盾。对于较快采样,能够简单使用高输入阻抗运放本身加一个小电容进行保持。缺点是仍不能抑制高频干扰。

九使用D触发器进行边缘检测传感器电路
也是让发光管亮暗交替,但亮时间很短,电流很大,亮度很高,把接收端门限调很高,然后用D触发器进行边缘检测。这么能够屏蔽外界通常强度光（能够是高频）干扰,而耗电不会增加。但假如使用简单比较型电路,加大电流就会增大功耗,甚至烧毁发光管。

十下图是一个成品光电开关,
就是光电管=>两级交流放大=>CD4013检测这种方法,CD4013另一个单元D触发器作方波振荡源,经过驱动电路带动LED。能够看出,LED限流电阻是20欧,短时间经过LED电流很大。

传感器输出接口问题
TTL电压工作推挽输出传感器接5V电源单片机
TTL电压工作传感器能够直接输出到单片机,但为了避免不慎从单片机该端口输出低电平,能够在传感器和单片机之间接一个1K左右电阻。

开路输出传感器接51单片机
假如完全开路输出,能够直接接到单片机上,假如使用P0 口应该加上拉电阻;假如传感器内置上拉
电阻而且高电平时高于5V,能够从单片机到传感器端口接一个肖特基二极管,预防高压灌入单片机。上

面图中成品传感器就是这种接口。

非TTL电压推挽输出传感器接51单片机
这种接口基础做法就是串入电阻进行限流预防输出冲突;单片机端用稳压二极管进行限压预防输入过压。

这3种情况以下图所表示:

1.发光二极管（LED）介绍 反射式光电传感器探头制作

不一样管子许可工作电流不一样。红外平均电流最大能够用到100毫安, 用作调制时几十微秒窄脉冲峰值甚至能够靠近1安。 3 毫米白色高亮度管子连续最大电流20毫安,通常低亮度管子要小部分。工作电流一是发烧平均电流,二是高电流下亮度饱和峰值电流。有些管子电流大了以后还会变色。

常见LED 有红外,红, 橙,黄, 黄绿,纯绿, 蓝,紫, 紫外,白等颜色。作为成品销售“变色LED”是 里封装了多个不一样颜色LED,红, 绿,蓝三色LED 很在一个管壳（通常是乳白色,用于使光线混合均匀）
适合作颜色传感器照明。红外线LED配合红外接收管抗干扰能力强,不过不适适用于识别颜色,因为物
体在可见光下颜色不能很好代表它对于红外线反射率。验钞用管子发光含有紫色光和紫外线,点亮时不要

正对着眼睛长时间观看。更适合做传感器。（颜色识别时,乳白色管壳比无色透明管壳还要好。）管壳有色管子适合
管壳无色透明管子透光性能好部分,散射小,做指示灯。直径5毫米管子品种较多,亮度较高,发出光束比直径3毫米管子要集中（顶角小）,照在物体上光斑小,更适适用来识别白线。LED伏安特征曲线很陡,能够作稳压用,给电路提供基准电压.红色大约1.8V,蓝色能够超出3V。

多种LED材料,颜色和亮度:
LED发光原理是半导体PN结中电子和空穴复合时产生光子。不一样材料因为能带宽度不一样,造成发光颜色和导通电压不一样。另外,不一样材料发光效率（通常以量子效率衡量,量子效率=发射光子数/流过电子数）也有极大差异。

材料 发光颜色 量子效率(和工艺相关,这里是经典值)砷化镓GaAs 红外 高,30%

橙, 黄磷化镓掺杂氮GaP:N 黄绿磷砷化镓GaAsP 红

磷化镓掺杂氧化锌GaP:ZnO红到黄中低（购置时称为一般）
铝砷化镓AlGaAs 鲜红 中高（购置时称为高亮度）
铝镓铟磷AlGaInP橙红高,30%（购置时称为超高亮度）
从纯绿到紫外高,20%（购置时称为高或超高亮度）氮化镓GaN (含In)GaN, 管芯外涂荧光粉 紫+黄=白高（购置时称为高或超高亮度）。

2.接收管介绍。

常见接收管有硅光电二极管,硅光电三极管,光敏电阻三种。光电二极管产生电流小（微安级）,
需要高倍放大, 不过速度很高,能够高频调制。在遮光状态下特征类似一般二极管。使用时加反向电压,

输出和光照强度近似成正比光电流。光电三极管通常基极不引出,只有两根管脚,购置时候叫做光敏管。光电三极管产生电流较大（几百微安以上）,无需前置高倍放大,不过速度较低,调制频率低于100KHz。遮光状态下正反向电阻全部很大,用强光（比如台灯）照射,能够测出一个方向电阻显著变小,这个方向是正向。使用时加正向电压>1V,输出和光照强度近似成正比光电流。

这些光电接收管外壳有没有色透明和黑色两种,黑色管壳几乎只透过红外光,和红外发光管配套使用。

光敏电阻电特征是电阻而不是恒流,受到光照后电阻值大幅度减小,输出电流也较大,数量级类似光电三极管。工作频率通常较低,但也有高。在使用上最关键区分在于光敏电阻接收光照是一个平面,没有管壳聚光,方向性差。通常见在不区分光照方向或要降低成本电路里。

接收管光谱特征:
光电二极管,光电三极管全部是半导体PN结光电元件, 靠内光电效应接收光线,所以入射光子能量超出材料能带宽度才能被接收,表现在它光谱-灵敏度特征在长波方向有一个陡截止。在短波方向假如波

别颜色。 一些光敏电阻对于可见光中间部分灵敏度较高。

加装滤色片（能够用玻璃纸）能够方便改变管子光谱特征以制造多种颜色传感器。

3．传感器探头实际制作
1）识别白线:
能够用白色管子。假如背景是绿色,红光比很好用,红外也行。不过背景有红绿蓝多种颜色尤其是红色时,红光区分度就不大了。比如Robocon比赛红色或蓝色出发区。这次我们校队就因为没有注意这个问题而吃了大亏。在这种情况下能够用蓝色,红色或紫色（验钞用,含紫外线）管子。
几何形状是发射管和接收管一个直立一个倾斜,指向同一个位置以消除镜面反射光。

这些管子能够焊在一小块电路板上,在前端套上热缩套管减小光线发散,这么做成探头,不过这么既不坚固正确又不抗干扰,最麻烦是多个探头作成阵列使用时性能不一致。很好做法是在一个铝块或木块上打孔后把管子插在里面,周围围上黑胶布遮光。探头光斑要小,这么识别白线才正确。相邻探头距离要适宜。

探头部署是出于控制方便考虑,通常是中间放一排探头跟踪白线,两边各一个数横线。中间这一排

因为车身偏离白线时候是先有角度偏差再累积（积