幾種光電檢測(cè)電路的性能比較

王大偉 周強(qiáng)

【摘要】介紹和分析了幾種實(shí)際的光電檢測(cè)電路，并對(duì)難點(diǎn)問(wèn)題的多種方案進(jìn)行了研究和比較。

【關(guān)鍵詞】光電檢測(cè)電路；抗干擾；微分電路；測(cè)量

1引言

在過(guò)去的全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽上經(jīng)常出現(xiàn)自動(dòng)小車(chē)的題目，這其中的難點(diǎn)就是非接觸目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別上。有一年的題目要求小汽車(chē)能夠檢測(cè)跑道中的黑線(xiàn)和跑道左右兩側(cè)的擋板，如圖1所示。而有一年的競(jìng)賽題目難度加大，要求小車(chē)沿著黑色跑道前進(jìn)，并且在光源的引導(dǎo)下繞開(kāi)障礙物進(jìn)入停車(chē)區(qū)，如圖2所示。將競(jìng)賽中涉及到的非接觸式測(cè)量歸結(jié)為三類(lèi)：檢測(cè)黑線(xiàn)、尋找光源、識(shí)別障礙物或擋板。對(duì)于這三類(lèi)問(wèn)題，使用光電器件、配以相應(yīng)的調(diào)理電路和合理的信號(hào)處理手段，都能取得滿(mǎn)意的檢測(cè)效果。

圖1 小車(chē)檢測(cè)黑線(xiàn)和擋板

圖2 小車(chē)?yán)@開(kāi)障礙物沿跑道前進(jìn)

2 黑線(xiàn)檢測(cè)電路

圖3是一個(gè)以光電元件ST168為核心的黑線(xiàn)檢測(cè)電路。其工作原理是這樣：在正常工作情況下，ST168的發(fā)射端發(fā)出恒定的不可見(jiàn)光（紅外線(xiàn)），當(dāng)紅外線(xiàn)被白紙或黑線(xiàn)反射給ST168的接收端（光敏電阻）時(shí)，由于白紙和黑線(xiàn)反射光線(xiàn)的強(qiáng)度不同，會(huì)引起光敏電阻的阻值變化。一般情況下，當(dāng)反射物由白紙變?yōu)楹诰€(xiàn)，光敏電阻的阻值會(huì)從幾十KΩ變?yōu)閹装貹Ω，A點(diǎn)的電壓下降，使PNP型三極管導(dǎo)通，電路輸出端B點(diǎn)電壓改變（由邏輯1變?yōu)檫壿?），送入單片機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。

圖3 黑線(xiàn)檢測(cè)電路

值得一提的是，大多數(shù)自動(dòng)小車(chē)的核心器件采用的是51系列的單片機(jī)，如AT89C51。而在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行端口資源分配時(shí)應(yīng)注意：由于A(yíng)T89C51的4個(gè)并行I/O口中，只有P0是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙向三態(tài)口，其輸出驅(qū)動(dòng)電路是由2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管串聯(lián)而成，等效輸入電阻大于5MΩ，一般不會(huì)對(duì)外接電路產(chǎn)生太大的影響。因此盡量保留P0作為檢測(cè)電路的輸入口來(lái)使用。而P1，P2，P3只是準(zhǔn)雙向I/O口，他們的輸出驅(qū)動(dòng)電路被簡(jiǎn)化為一個(gè)等效電阻與一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的串聯(lián)電路，等效輸入電阻僅30 kΩ，不可避免的會(huì)改變外電路的工作點(diǎn)，特別是對(duì)于一些新型的光電器件，如光電阻或光電池，內(nèi)阻較大（前者的內(nèi)阻隨著照射光的強(qiáng)弱在幾十到幾百kΩ之間變化，后者的內(nèi)阻可以達(dá)到1MΩ以上）。因此這些元件所組成的電路在P0以外的接口上根本無(wú)法正常使用。

3 光源檢測(cè)電路

光源檢測(cè)電路非常簡(jiǎn)單，在小車(chē)的前端每隔30°設(shè)置一個(gè)外套細(xì)遮光管的光敏電阻，用以接收和檢測(cè)特定方向上的光源。該電路如圖4所示。

圖4 光源檢測(cè)電路

4 障礙物識(shí)別電路

障礙物或擋板的檢測(cè)和判斷始終是自動(dòng)小車(chē)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。一些參賽隊(duì)嘗試使用聲納技術(shù)。利用聲音的傳播速度較慢和單片機(jī)的高速運(yùn)算和處理能力，能夠比較精確測(cè)量出小車(chē)與障礙物或擋板的實(shí)際距離。但是這種方法存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）由于聲音是由聲源向四面八方傳播的，不具有確定的方向性，因此只有當(dāng)障礙物的形狀和位置比較簡(jiǎn)單和明確時(shí)，才適合使用。當(dāng)被測(cè)物位置隨機(jī)放置，若要收到理想的檢測(cè)效果必須增加硬件（如至少2個(gè)發(fā)聲和接受裝置）。同時(shí)在信號(hào)處理過(guò)程中的計(jì)算工作也很繁重。特別是當(dāng)小車(chē)的周?chē)€具有與障礙物距離接近的物體時(shí)，多種反射波混合在一起，CPU很難區(qū)分。

（2）聲納發(fā)生和接收裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格較昂貴。

（3）聲音在空氣中傳播的過(guò)程中損耗較小，因此傳播距離較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)處的物體與障礙物一樣能夠反射聲波，并對(duì)稍后的障礙物反射波造成干擾。和聲納測(cè)物相比，用光線(xiàn)測(cè)障礙物的方案更可行，不過(guò)采用類(lèi)似圖3或圖4中的電路顯然對(duì)外界光線(xiàn)的變化缺少適應(yīng)性。而事實(shí)上外界光線(xiàn)的強(qiáng)度變化很大，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不同時(shí)間、不同房間、相同房間不同位置甚至人員在房間內(nèi)走動(dòng)所引起光強(qiáng)度的變化，都足以覆蓋障礙物反射光強(qiáng)度的變化。因此，抑制干擾信號(hào)，保留檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)外界擾動(dòng)光線(xiàn)變化的自適應(yīng)性，是研究的主要方向。以下是嘗試的幾種方法。

4.1 利用差模方式抵消干擾信號(hào)

這種方法是在小車(chē)的相同方向上安裝2個(gè)光敏元件ST188，為了便于區(qū)分稱(chēng)之為ST188A和B。其中A的發(fā)射端和接收端都工作，而B(niǎo)只有接收端工作。因此當(dāng)小車(chē)接近擋板或障礙物時(shí)，A的接收端即感受到自然光，也感受到反射光，產(chǎn)生阻值變化ΔrA自然+Δr反射，與此同時(shí)B的接收端只感受到自然光產(chǎn)生阻值變化ΔrB自然，如果選擇2個(gè)特性比較一致ST188，那么ΔrA自然=ΔrB自然，圖5中將2個(gè)ST188的接受端分別放入一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的加法電路中，由于A(yíng)和B處在電橋的對(duì)邊的位置上，完成的實(shí)際是減法運(yùn)算，因此自然光引起的阻值（電壓）變化可以在電路中被抵消掉。而反射光引起的阻值（電壓）變化被保留和放大，并使輸出端發(fā)生邏輯上的變化。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠消除外界光線(xiàn)的干擾。在大多數(shù)情況下可以準(zhǔn)確檢測(cè)目標(biāo)。

圖5 基于差模方式的障礙物檢測(cè)方式

但是這種方法也有局限性：

（1）對(duì)2個(gè)ST188的一致性要求比較高，否則Δr自然（=ΔrA自然-ΔrB自然）不能被忽視，則放大電路的放大倍數(shù)不能取得很大。使得檢測(cè)電路的靈敏度受到影響。而在實(shí)際中由于ST188等光電元件的非線(xiàn)性和弱回滯特性，要找到2個(gè)輸入輸出特性非常接近的器件并不容易，需要對(duì)多個(gè)同類(lèi)元件進(jìn)行反復(fù)測(cè)試、對(duì)比和挑選。

（2）當(dāng)外界環(huán)境光線(xiàn)過(guò)強(qiáng)的情況下不適合使用。這時(shí)接收端的光敏二極管趨于飽和，輸入輸出曲線(xiàn)斜率接近于0，整個(gè)檢測(cè)電路的靈敏度下降。

4.2 基于微分電路的障礙物檢測(cè)方法

工作原理如圖6所示，由單片機(jī)的P3.1引腳發(fā)出頻率為100Hz的方波，驅(qū)動(dòng)ST188發(fā)射端發(fā)光二極管以100Hz的頻率閃動(dòng)，發(fā)出閃爍的光波，當(dāng)有障礙物接近時(shí)，反射光引起ST188接受端的光敏電阻r光以相同的頻率變化，使得圖6中A點(diǎn)電壓值VA相應(yīng)變化。VA中包含有直流成分V直和頻率為100Hz的交流成分V交，其中后者反映了障礙物的接近情況。為了保留有用的交流信號(hào)V交，消除直流成分V直，我們用隔直電容C1來(lái)完成隔直通交的功能，并由后面的放大電路對(duì)V交進(jìn)行放大。具體來(lái)說(shuō)，小車(chē)遠(yuǎn)離障礙物時(shí)，運(yùn)放的輸出VO為高電平，當(dāng)小車(chē)接近障礙物時(shí)，VO輸出幅值是5V頻率為100Hz的方波信號(hào)。這種檢測(cè)方法的靈敏度較高，對(duì)外界光線(xiàn)變化的適應(yīng)性很強(qiáng)。但是其自身存在的缺點(diǎn)也很突出，即微分電路對(duì)電源的變化非常敏感，特別是小車(chē)的左右轉(zhuǎn)向控制電機(jī)的啟動(dòng)電流很大（200mA以上），會(huì)將浪涌噪聲引入電源，引起電池的輸出電壓波動(dòng)，波動(dòng)的幅值一般較大，有時(shí)可達(dá)0.5V，造成檢測(cè)電路供電電壓跟隨變化，引起微分電路的誤動(dòng)作。

為此采用2組獨(dú)立的供電電池。一組為小車(chē)的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路供電，另一組為CPU及檢測(cè)電路服務(wù)，同時(shí)在微分電路的電源端并聯(lián)2個(gè)去耦電容，以消除該電源波動(dòng)對(duì)微分電路造成的影響。在兩組電源之間只有通過(guò)光耦的光的聯(lián)系，沒(méi)有電的聯(lián)系，從而切斷了直流電機(jī)產(chǎn)生的浪涌干擾進(jìn)入檢測(cè)單元的途徑。

圖6 基于微分電路的障礙物檢測(cè)電路

4.3 以A /D芯片為調(diào)理電路的智能識(shí)別方法

在小車(chē)運(yùn)行中，光電傳感器送出的信號(hào)包含著有用信號(hào)和干擾信號(hào)。前面的辦法都是盡量阻止干擾信號(hào)進(jìn)入CPU。實(shí)際上，完全可以先將有用信號(hào)和干擾信號(hào)同時(shí)接收進(jìn)來(lái)，然后在微機(jī)中利用CPU的資源，根據(jù)兩者自身的規(guī)律，對(duì)他進(jìn)行分析和處理。例如由外界光所產(chǎn)生的干擾信號(hào)，具有統(tǒng)計(jì)上的隨機(jī)性和各態(tài)遍歷性，但卻不具有某種特定的規(guī)律性。因此如果以某種規(guī)律發(fā)出激勵(lì)光源，而在檢測(cè)信號(hào)中尋找同樣變化規(guī)律的信號(hào)。就可以有效的判斷小車(chē)與障礙物的接近情況，并且由數(shù)字信號(hào)變化的幅度分析小車(chē)與障礙物的距離。如圖7所示，由P1.0發(fā)出頻率為200Hz的方波，驅(qū)動(dòng)ST188發(fā)射端閃爍。同時(shí)通過(guò)A /D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832將ST188接收端檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并且以串行方式送到CPU中。CPU分析數(shù)字量的變化。在檢測(cè)到第一個(gè)負(fù)跳變之后，如果能夠在連續(xù)的5個(gè)固定時(shí)刻檢測(cè)到4個(gè)以上的數(shù)字負(fù)跳變，則改變發(fā)射頻率為400Hz，如果同樣地能夠檢測(cè)到5個(gè)激勵(lì)信號(hào)中的4個(gè)，則說(shuō)明發(fā)現(xiàn)障礙物。這是一種智能檢測(cè)和識(shí)別的方法。他的可行性在于：除了隨機(jī)的干擾不具有特定的變化規(guī)律外，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，外界光線(xiàn)所引起干擾量雖然幅度很大，但狀態(tài)變化緩慢、交流成分的頻率較低，而且在狀態(tài)切換的過(guò)程中并無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。

圖7 基于智能識(shí)別的障礙物檢測(cè)電路

5 結(jié) 語(yǔ)

總之，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)和調(diào)試的過(guò)程中，必須根據(jù)具體的情況采取不同的信號(hào)調(diào)理電路和相應(yīng)的信號(hào)處理方法。實(shí)踐表明采用光電傳感器測(cè)量黑線(xiàn)、擋板、障礙物或光源都能夠取得理想的效果。而且，硬件電路的成本較低。

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