基于PSD技術(shù)的定距儀設計與實現(xiàn)

卜令濤

（明達職業(yè)技術(shù)學院 江蘇 射陽 224300）

PSD是一種基于橫向光電效應的位置敏感傳感器，由于其對光斑位置的敏感達到了微米級水平[1-2]，因此被用于許多科研攻關(guān)，但在工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中卻因為它的造價成本高，且微米級的精度也沒必要，因此并不普及?；赑SD技術(shù)的夏普GP2Y0A21傳感器默認的測距分辨率為1mm，在經(jīng)過本文的電路設計后可以很好的提高其定距分辨率，并在控制成本的前提下達到了工業(yè)生產(chǎn)中工程應用的要求。

1 夏普GP2Y0A21傳感器簡介

其中L為有效光敏面的1/2、X為光照的重心位置、I1和I2分別為PSD兩電極的電流。按照這個公式通過電路的設計可以確定光照位置，但這是在理想情況下所得，實際情況是背景光以及半導體的暗電流會對X造成較大的誤差[6]。因此許多學者在Lucovusky方程的基礎上提出了光信號調(diào)制解調(diào)法、采樣—保持法等手段加以輔助[7]。對于光信號的調(diào)制解調(diào)法，其方法是利用互相關(guān)檢測原理，對光信號進行調(diào)制和解擬電壓的形式，且價格低廉，因此工程測量等方面有很多可以值得挖掘利用的實用前景。

由于GP2Y0A21是基于PSD原理的設計，而PSD的光譜范圍很寬[4]，對于PSD來說，這既是它的優(yōu)點也是它的缺點，優(yōu)點是它能夠適應各種光譜的設計，缺點是容易被周圍環(huán)境的雜光影響，尤其是背景光；早在上世紀60年Lucovusky利用橫向光電效應引導出PSD方程[5]：

夏普GP2Y0A21型距離測量傳感器是基于PSD的微距傳感器，其有效的測量距離在80 cm以內(nèi)，有效的測量角度大于40°，輸出的信號為模擬電壓，在0到8 cm左右的范圍內(nèi)與距離成正比非線性的關(guān)系，在10～80 cm的距離范圍內(nèi)成反比非線性關(guān)系，平均功耗約為30mA，反應時間約為5ms，并且對背景光及溫度的適應性較強[3]。由于輸出的信號為模調(diào)[8]，由于調(diào)制的光信號有時間相關(guān)性并與時間成函數(shù)關(guān)系，雜波等信號則沒有此特性，在接收部分再對此函數(shù)信號進行一定時間的積累而雜光等無法積累，這樣就可以把帶有時間內(nèi)容的函數(shù)光信號從雜波中剝離出來，從而濾除了雜光等的影響，得到精確的光照位置信號。

GP2Y0A21采用了光信號調(diào)制和解調(diào)電路，其調(diào)制信號為1 kHz，電路框圖如圖1所示，主要由5個部分組成：信號處理電路、紅外LED驅(qū)動電路、振蕩電路、電源穩(wěn)壓電路、電路輸出電路[3]，它的光信號處理電路中又包含了I-V轉(zhuǎn)換電路、比較電路、同步檢測電路、解調(diào)電路以及電源穩(wěn)壓和振蕩電路。由于采用了互相關(guān)檢測的原理設計，因此實際應用中幾乎不受類似背景光等雜光的影響。

圖1 夏普GP2Y0A21內(nèi)部電路框圖Fig．1 Diagram of sharp GP2Y0A21 internal circuit

公式（2）中δ為像位移，D為物位移，L1為透鏡到物的距離，L2為透鏡到像的距離，θ1為光源發(fā)出的光與被測面的法線之間的夾角，θ2為成像透鏡光軸與被測面法線之間的夾角，α為光敏面PSD與成像透鏡光軸之間的夾角?？梢苑治龀鲚^大的D值就可以對應較小的δ值，這就是夏普GP2Y0A21價格低廉的原因，因為δ實際就是光在PSD光敏面上的位移，而PSD光敏面的大小直接決定了它的成本。

夏普GP2Y0A21傳感器在PSD的基礎上結(jié)合光學三角原理的設計結(jié)構(gòu)，利用菲涅爾透鏡減小了PSD的光敏面積，從而很好的節(jié)省了傳感器的成本，使得PSD的在低端市場的測距普及成為可能。

在斜射式三角測量原理中，其物位移、像位移等各項參量必需滿足斯凱普夫拉格原理[6，9]，它們的幾何關(guān)系為：

2 定距儀的設計方案

2.1 設計思路

利用夏普GP2Y0A21傳感器進行合理的設計即可開發(fā)出性價比很好的精密定距儀，設計思路如框圖2所示，原則是找到夏普GP2Y0A21型距離測量傳感器對距離變化最敏感的位置，將這個位置做為定距的節(jié)點，取出此點對應的精確電壓，以此點電壓為設計電路的基準，當距離在此基礎上產(chǎn)生變化時就會產(chǎn)生電壓差，此電壓差就反映出位移；越是分辨率高的定距，要求分辨的電壓差就越小。然后將此電壓放大做為指示信號以備各種用途。

圖2 電路設計框圖Fig．2 Diagram of circuit design

2.2 確定定距基準信號

在確定基準電壓方面可根據(jù)需要來設置，一般有兩種情況，一種是對定距距離有優(yōu)先要求（80 cm以內(nèi)）；第二種是對分辨率有優(yōu)先要求。前一種情況如果想要得到較好的分辨率難度較大，而后者則需要接收固定距離的限制。但無論哪種方式，都需要有詳細的GP2Y0A21輸出信號與距離之間關(guān)系，圖3是生產(chǎn)商提供的電壓與距離關(guān)系圖表。

圖3 距離與輸出信號關(guān)系Fig．3 Relationship of distance and output signal

分析圖3可知，在0～6 cm的范圍，曲線較陡表明電壓對距離的變化較為敏感，在7～80 cm的范圍曲線較為平緩，因此在0～6 cm這個范圍內(nèi)可以得到較高的分辨率。將此段距離進行仔細測量得到輸出信號與距離關(guān)系圖4，從圖中看出在0～1 cm的范圍關(guān)系曲線很陡，電壓變化非常敏感，但這段距離太小，在定距方面的應用并不廣泛；另外一段則在2～4 cm處也有較好的敏感性，那么在這段距離定距則有較好的應用前景。從圖4中可以看出在這段距離范圍內(nèi)，每移動1 mm電壓有效值大約會有0．2 V的變化，將這個變化電壓取出進行處理，即可達到精密定距的目的。

由于GP2Y0A21YK傳感器采用的是PSD光信號調(diào)制法，因此其輸出的信號電壓并不是標準的直流電壓而是疊加了波幅約為 0．2 V、頻率 1 kHz的方波，由于波幅達到 0．2 V，這就影響了分辨率。如果不進行信號處理，分辨率的精度僅能達到1mm。而如果經(jīng)過有效處理，在正常情況下可以達到0．1mm以上的精度，完全可以滿足一般工程定距等方面的需求。

圖4 敏感區(qū)域與輸出信號關(guān)系Fig.4 Relationship of sensitive areas and output signal

3 信號處理電路

3.1 傳感器信號分析

信號處理電路設計的原則：由于GP2Y0A21YK傳感器輸出信號中的小方波振幅是個恒值為0.2 V，那么假設GP2Y0A21YK傳感器與目標物體的距離已經(jīng)固定，傳感器產(chǎn)生的靜態(tài)位移信號就有兩個穩(wěn)定的直流電壓值交替輸出，即小方波的振幅，如圖5所示的max和min，將它們都送入ADC電路，那么ADC電路的并口輸出就會有兩個交替輸出的數(shù)字信號，把這兩個數(shù)字信號取出，大的數(shù)字信號作為后續(xù)比較電路中的上限值，小的數(shù)字信號作為后續(xù)電路中的下限值。這樣，在傳感器探測目標無位移時，信號電壓就在比較器設定的上下限之間，當傳感器有位移信號輸出時，如果是距離縮小，電壓信號變小，其小方波中的低值就會小于設定的下限值，這樣就在比較電路中得到體現(xiàn)。相反，如果是距離增大，電壓信號變大，其小方波的高值就會大于設定的上限值，同樣也會在比較電路中表現(xiàn)出來。

圖5 固定距離時的調(diào)制信號Fig.5 Fixed distancemodulated signal

將定距取在GP2Y0A21YK傳感器的敏感點上，從圖4分析取26mm處對應的電壓有效值為2 V，示波器觀察的波形如圖5，其中max為2.1 V，min為1.9 V。將2.1 V和 1.9 V通過8位的ADC（基準電壓5 V）分別進行AD轉(zhuǎn)換計算可以得到的01100001、01101011數(shù)碼信號。這兩個二進制數(shù)碼就是用以比較的數(shù)值基準信號，如圖6所示。

圖6 信號比較電路框圖Fig.6 Circuit diagram of signal comparison

圖7 信號處理電路圖Fig.7 Circuit diagram of signal processing

對應8位數(shù)碼信號，在以5 V為基準電壓的情況下，每一位數(shù)碼對應電壓為0.02 V，從圖4分析，在敏感位置每0.5mm的移動會有約0.1 V的變化，那么對于0.02 V就對應0.1mm的位移，通過數(shù)值比較就可以檢測到0.1mm的位移變化。

3.2 電路設計及調(diào)試

分別將兩個基準數(shù)碼信號送到8051單片機的P1和P2端口并與P0端口的信號比較，將結(jié)果從P3口輸出；P0端口為傳感器信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)碼信號。電路如圖7所示。

P1端口外接8位撥動開關(guān)，用以設定上限值；P2端口外接的8位撥動開關(guān)，用以設定下限值；它們設定好后的值被8051采集并與P0端口采集的數(shù)據(jù)進行比較；而P0端口則接收ADC0808輸出的8位數(shù)字信號。設計的兩個8位撥動開關(guān)SW1和SW2是用以便于調(diào)試操作，實際也可以直接在程序內(nèi)部進行比較，而不必增加外設。D1到D6為比較結(jié)果輸出， 當產(chǎn)生位移距離為 0．1mm 時 （增），D1、D3、D4 亮起、D2熄滅、D5、D6 脈沖閃爍。 反之，則 D1、D4、D5 亮起、D6 熄滅、D2、D3脈沖閃爍。如果沒有產(chǎn)生位移，則發(fā)光二極管D2、D4始終亮起，其他LED脈沖閃爍。

在實際的應用環(huán)境中傳感器信號必然會受到外界的一定干擾，比如這些紋波的起伏、調(diào)制功率變化以及偶爾的隨機尖峰脈沖，都會影響到測量結(jié)果。因此在單片機程序中設計了每一輪數(shù)據(jù)的比較都進行10次，如果比較結(jié)論相同則輸出結(jié)果，這樣可以較為有效的避免一些諸如尖峰脈沖等因偶然因素引起的脈沖干擾對精度的影響。比較的次數(shù)可以依據(jù)生產(chǎn)環(huán)境等綜合因素進行靈活設定，從而達到較好的穩(wěn)定性，程序流程圖如圖8所示。

圖8 單片機程序流程圖Fig．8 Flow chart ofmicrocontroller program

程序部分如下：

4 結(jié) 論

在普通的實驗條件下，可較順利的得到以下結(jié)果：定距26 mm、分辨率0．1 mm、反應時間10 ms以及基本不受環(huán)境背景光、溫度等的影響。

當然隨著分辨率的提高，對電壓的穩(wěn)定度也提出了更高的要求，每一個更高指標的分辨率，就需要有更精準的電壓源做保障，比如 8位的 ADC，分辨率達到 0．1 mm，電源電壓的紋波等就不得超過0．02 V，分辨率達到0．025 mm的10位ADC，電源電壓的紋波等就不得超過0．004 88 V，以此類推。

本文設計的精密定距儀稍加改動也可替代傳統(tǒng)的接近開關(guān)等工業(yè)測量儀器，在對分辨率沒有較高的要求下，也可以將定距距離設計得更長一些，這些內(nèi)容可以根據(jù)具體任務要求來定。

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