紅外傳感器在速度測量中的應(yīng)用

靳斯佳，李麗宏

（太原理工大學(xué) 山西 太原 030024）

紅外線技術(shù)在測速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，許多產(chǎn)品已運用紅外線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛測速、探測等研究。紅外線應(yīng)用速度測量領(lǐng)域時，最難克服的是受強太陽光等多種含有紅外線的光源干擾。外界光源的干擾成為紅外線應(yīng)用于野外的瓶頸。針對此問題，這里提出一種紅外線測速傳感器設(shè)計方案，該設(shè)計方案能夠為多點測量即時速度和階段加速度提供技術(shù)支持，可應(yīng)用于公路測速和生產(chǎn)線下料的速度稱量等工業(yè)生產(chǎn)中需要測量速度的環(huán)節(jié)。

1 紅外測速傳感器概述

紅外線對射管的驅(qū)動分為電平型和脈沖型兩種驅(qū)動方式，本系統(tǒng)中紅外傳感器選用脈沖型驅(qū)動方式[1]。由紅外線對射管陣列組成分離型光電傳感器[2]。該傳感器的創(chuàng)新點在于能夠抵抗外界的強光干擾。太陽光中含有對紅外線接收管產(chǎn)生干擾的紅外線，該光線能夠?qū)⒓t外線接收二極管導(dǎo)通，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。本傳感器的優(yōu)點在于能夠設(shè)置多點采集，對射管陣列的間距和陣列數(shù)量可根據(jù)需求選取。

2 紅外線測速傳感器硬件設(shè)計

2.1 紅外線發(fā)射管電路設(shè)計

發(fā)射管選取SIR204-A[3]型發(fā)射管，該紅外線二極管驅(qū)動電流范圍為20～100 mA，其正向?qū)▔航禐?.3～1.5 V，發(fā)出紅外線光波長范圍約為835～930 nm，發(fā)射角度為30°，直射時紅外線光強度最大。發(fā)射管驅(qū)動電壓采用脈沖電壓，38 kHz載波頻率，發(fā)送時長為 280 μs，占空比為1/2的方波，發(fā)送間隔為720 μs。載波脈沖需要與紅外線接收管的型號相匹配。紅外發(fā)射管能夠匹配光電晶體管、光敏二極管和紅外接收器模塊，紅外傳感器的接收部分選擇了帶有放大和濾波功能的紅外線接收二極管。發(fā)射部分的設(shè)計需要考慮到接收部分的制約。經(jīng)過驗證調(diào)制脈沖驅(qū)動電流能夠匹配紅外線接收管，將紅外線接收管導(dǎo)通。驅(qū)動發(fā)射管PWM的波形如圖1所示。

圖1 38 kHz頻率紅外發(fā)射管驅(qū)動脈沖圖Fig.1 Drive pulse waveform of 38kHz frequency infrared emission tube

圖2是紅外線發(fā)射管的驅(qū)動電路圖。脈沖信號由R29處輸入，通過NPN型三極管，從而控制紅外發(fā)射管VD3的通斷情況，本電路中單個紅外管驅(qū)動電流選擇值約為20 mA。由于NPN型三極管驅(qū)動電流低于20 mA，需在電路中加入P-mos管增強驅(qū)動能力。R18和R29的電阻值需要匹配，若2個電阻匹配不佳，會造成驅(qū)動脈沖波形毛刺較多，使二極管導(dǎo)通能力減弱，導(dǎo)通時間延遲增大。R18盡量大，能夠減少電路功耗，R18和R29都選用10 kΩ電阻。紅外線發(fā)射管的驅(qū)動不穩(wěn)定，會造成接收判斷失效，驅(qū)動電路的配置要根據(jù)實驗進(jìn)行匹配。

圖2 紅外線發(fā)射管的驅(qū)動電路圖Fig.2 Drive circuit diragram of infrared emission tube

2.2 紅外線接收管電路設(shè)計

紅外線接收管內(nèi)部電路如圖3所示，紅外線接收二極管內(nèi)部電路將導(dǎo)通后微弱脈沖信號放大、濾波整形，輸出單片機可以識別的方波脈沖信號。該類型紅外線接收管導(dǎo)通波長范圍約為850～1 050 nm，紅外線發(fā)射管發(fā)射波長約為875 nm，能夠滿足紅外線接收管導(dǎo)通要求。

圖3 紅外接收管內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of infrared receiver tube

紅外線接收管選用HS0038型的紅外一體接收頭[4]，該器件集成度高，能夠以小成本實現(xiàn)圖3所示功能。紅外線接收管需要接收38 kHz左右?guī)挼拿}沖波形，接收發(fā)射管只能接收間歇發(fā)射的紅外線，發(fā)射紅外線過于密集，接收管無法導(dǎo)通，需要予以注意。紅外線發(fā)射管發(fā)出38 kHz載波，將紅外線接收管導(dǎo)通。該波形頻率為1 kHz，周期內(nèi)高電平時間720 μs，低電平時間280 μs。當(dāng)有物體遮擋紅外線對射管時，發(fā)射源被遮擋，紅外線接收管無法導(dǎo)通，輸出高電平。由此可以判斷是否有物體從紅外線對射管中間通過。紅外線接收管導(dǎo)通時的輸出波形如圖4所示。

圖4 接收管導(dǎo)通波形圖Fig.4 Waveforms of receiver at work

當(dāng)紅外線接收管被正面遮擋時，周圍障礙物體反射由紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線。此時微弱的信號會隨著紅外線接收管內(nèi)部自動增益控制調(diào)節(jié)到最大而產(chǎn)生方波波形，對紅外線接收管造成干擾。干擾使采集到的信號復(fù)雜，需要采用濾波手段將雜波干擾濾除。經(jīng)過分析和示波器觀察，雜波的頻率大于1 kHz。在紅外線接收管輸出端接入有源濾波電路，能夠?qū)⒏哂? kHz的雜波濾掉。由此輸出的波形為紅外線接收管導(dǎo)通和未導(dǎo)通兩種狀態(tài)下的信號，未摻雜干擾，較容易區(qū)分，可以根據(jù)特點編寫算法，判斷是否有物體從紅外線對射管中間通過。

3 紅外線測速傳感器軟件設(shè)計

控制軟件需要保證紅外線對射管一對一工作，且對信號采集處理，對采集的信號編寫算法程序，完成對物體是否遮擋紅外線對射管的判定，即分辨紅外線接收管是否被導(dǎo)通。通過單片機內(nèi)部計數(shù)器計取脈沖個數(shù)，可以將物體遮擋某個紅外線接收管的時間記錄下來。程序流程如圖5（a）所示，需要不斷判定第一個紅外線接收管的輸出狀態(tài)，當(dāng)確定有物體遮擋時，將開始標(biāo)志位置為1，單片機開始讀取其他接收管狀態(tài)，同時啟動定時器，下一對紅外線對射管的接收管被遮擋停止計時。紅外線發(fā)射管按順序依次發(fā)射紅外線，處理單元依次讀取紅外線接收管狀態(tài)，可以防止鳥或人無意遮擋引起的誤判現(xiàn)象。判斷有物體遮擋的程序思想為判斷1 ms內(nèi)，是否有物體遮擋，若沒有物體遮擋，紅外線接收管輸出的脈沖波形保持不變；若有物體遮擋，紅外線接收管輸出高電平持續(xù)1 ms以上。紅外線接收管輸出狀態(tài)是否為高電平，可以判斷是否有物體遮擋。當(dāng)按順序掃描的前一對紅外線對管被判定遮擋時，開始掃描下一對管子的脈沖個數(shù)，同時開啟定時器。延時50 μs，判定接收管接收到的是否為脈沖，判定是否為脈沖則需要判定引腳是否為低電平，如果引腳為低電平，計數(shù)值清零。計數(shù)值并不是計數(shù)器的值，而是計算延時50 μs的次數(shù)是否達(dá)到28。

當(dāng)判斷相應(yīng)的接收管被遮擋時，相應(yīng)的紅外線對管序號累加。程序流程如圖5（b）所示。

圖5 軟件設(shè)計流程圖Fig.5 Flow chart of software design

4 整體結(jié)構(gòu)

紅外線對射管構(gòu)成一對紅外傳感器收發(fā)子單元。若干對紅外傳感器收發(fā)子單元構(gòu)成完整的紅外線測速傳感器[5]，其紅外線對射管分離距離和紅外傳感器收發(fā)子單元間距可以調(diào)整。如圖6所示，N需要大于2，分離距離超過5 m。在兩對紅外線對射管之間測量物體經(jīng)過的時間T，間距設(shè)置為L，可以得到后一對紅外線對射管的即時速度V：…，N-1）可得到78個階段的加速度。

圖6 紅外線對射管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of infrared radio tube

5 結(jié)束語

紅外線對射管方法，能夠動態(tài)地反應(yīng)物體運動經(jīng)過紅外對管時的即時速度和階段加速度。紅外線在速度測量中的應(yīng)用，可以作為其他設(shè)備或者系統(tǒng)的技術(shù)支持，為后續(xù)的設(shè)備校準(zhǔn)和分析提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。CD4051等模擬開關(guān)芯片可以作為增加測量點數(shù)量的編碼、譯碼器，控制紅外線接收管一對一工作，得到精確采樣點的速度和階段的加速度的信息。完整的速度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括傳感器、處理單元以及人機交互單元，適合于小型企業(yè)和研究所[6]。紅外線對射管工藝上，不需要嚴(yán)格的管子對射標(biāo)準(zhǔn)，紅外線對射管間距加工略有偏差不影響測量精度和紅外線對射管導(dǎo)通。

[1]李小明，馮全科，畢勤成，等.利用紅外對管進(jìn)行無干擾氣泡上升速度測量的實驗研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2004，4（2）：1110-1118.LI Xiao-ming， FENG Quan-ke， BIQin-cheng， et al.Experimental study on undisturbed measurement of gas bubble rising velocity using infrared emitting diode and photodiode[J].Journal of Xi'an Jiaotong University，2004，4（2）:1110-1118.

[2]侯國章，賴一楠，田思慶.測試與傳感器技術(shù)[M].2版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006：131-137.

[3]Everlight Electronics Co.，Ltd.SIR204-A Datasheet[EB/OL].（2005-07-20）[2010-04-19].http://www.21icsearch.com/pdfdetil_50906FF7A081B677.html.

[4]Vishay Telefunken.Photo modules for PCM remote control systems[EB/OL].（2000-03-10）[2010-04-19].http://pdf.dzsc.com/20090603/200903050705374894.pdf.

[5]許剛，王成，蘇力.智能紅外測速系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國儀器儀表，2008（8）：70-73.XU Gang， WANG Cheng， SU Li.A design of the intelligent infrared velocity measurement system[J].China Instrumentation，2008（8）：70-73.

[6]張羽鵬，王開福.紅外技術(shù)在測速中的應(yīng)用[J].紅外技術(shù)，2008，30（11）:664-666.ZHANG Yu-peng，WANG Kai-fu.The application of infrared techniques in velocity measurement[J].Infrared Technique，2008，30（11）:664-666.