對(duì)于紅外測(cè)距技術(shù)的詳細(xì)分析概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在測(cè)距領(lǐng)域也先后出現(xiàn)了激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距、超聲波測(cè)距及紅外線測(cè)距等方式。作為一種應(yīng)用廣泛、測(cè)量精度高的測(cè)量方式，紅外測(cè)距利用紅外線傳播時(shí)不擴(kuò)散、折射率小的特性，根據(jù)紅外線從發(fā)射模塊發(fā)出到被物體反射回來被接受模塊接受所需要的時(shí)間，采用相應(yīng)的測(cè)距公式來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體距離的測(cè)量。

紅外測(cè)距最早出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代，是一種以紅外線作為傳輸介質(zhì)的測(cè)量方法。紅外測(cè)距的研究有著非比尋常的意義，其本身具有其他測(cè)距方式?jīng)]有的特點(diǎn)，技術(shù)難度相對(duì)不大，系統(tǒng)構(gòu)成成本較低、性能良好、使用方便、簡單，對(duì)各行各業(yè)均有著不可或缺的貢獻(xiàn)，因而其市場(chǎng)需求量更大，發(fā)展空間更廣。紅外測(cè)距儀是指用調(diào)制的紅外光進(jìn)行精密的距離測(cè)量，測(cè)量范圍一般為1-5公里。

紅外線測(cè)距傳感器有它的幾個(gè)特點(diǎn)，遠(yuǎn)距離測(cè)量，在無反光板和反射率低的情況下能測(cè)量較遠(yuǎn)的距離；有同步輸入端，可多個(gè)傳感器同步測(cè)量；測(cè)量范圍廣，響應(yīng)時(shí)間短；外形設(shè)計(jì)緊湊，易于安裝，便于操作；所以它的應(yīng)用價(jià)值比較高。

紅外測(cè)距的常用方法和原理

時(shí)間差法測(cè)距原理

時(shí)間差法測(cè)距原理是將紅外測(cè)距傳感器的紅外發(fā)射端發(fā)送信號(hào)與接收端接受信號(hào)的時(shí)間差t寫入單片機(jī)中，通過光傳播距離公式來計(jì)算出傳播距離L。

式中c是光的傳播速度為。

反射能量法測(cè)距原理

反射能量法是由發(fā)射控制電路控制發(fā)光元件發(fā)出信號(hào)（通常為紅外線）射向目標(biāo)物體，經(jīng)物體反射后傳回系統(tǒng)的接收端，通過光電轉(zhuǎn)換器接收的光能量大小進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)物體的距離L。

式中P為接收端接收到的能量，K為常數(shù)，其大小由發(fā)射系統(tǒng)輸出功率、轉(zhuǎn)換效率決定，d為被測(cè)目標(biāo)漫反射率。

相位法測(cè)距原理

相位測(cè)距法是利用無線電波段的頻率，對(duì)紅外激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算出此相位延遲所代表的距離D，此方式測(cè)量精度非常之高，相對(duì)誤差可以保持在百分之一以內(nèi)，但要求被測(cè)目標(biāo)必須能主動(dòng)發(fā)出無線電波產(chǎn)生相應(yīng)的相位值。

式中c是光的傳播速度為，是調(diào)制信號(hào)的角頻率。

三角法測(cè)距原理

三角測(cè)量原理。紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當(dāng)遇到物體以后，光束會(huì)反射回來，如圖1所示。反射回來的紅外光線被CCD檢測(cè)器檢測(cè)到以后，會(huì)獲得一個(gè)偏移值L，利用三角關(guān)系，在知道了發(fā)射角度a，偏移距L，中心矩X，以及濾鏡的焦距f以后，傳感器到物體的距離D就可以通過幾何關(guān)系計(jì)算出來了。

紅外測(cè)距系統(tǒng)的工作原理

反射能量法因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低,可以廣泛應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的光機(jī)電綜合產(chǎn)品，本文后面重點(diǎn)介紹基于此類方法的對(duì)紅外測(cè)距系統(tǒng)。

反射能量法基本原理是紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，經(jīng)障礙物反射后，由紅外接收電路的光敏接收管接收前方物體反射光，據(jù)此判斷前方是否有障礙物。根據(jù)發(fā)射光的強(qiáng)弱可以判斷物體的距離，由于接收管接收的光強(qiáng)隨是隨反射物體的距離變化而變化的，因而，距離近則反射光強(qiáng)，距離遠(yuǎn)則反射光弱。

因?yàn)榧t外線是介于可見光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可見光直線傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如較強(qiáng)的穿透能力和能貫穿某些不透明物質(zhì)等。紅外傳感器包括紅外發(fā)射器件和紅外接收器件。自然界的所有物體只要溫度高于絕對(duì)零度都會(huì)輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有更強(qiáng)的發(fā)射和接收能力。

紅外測(cè)距的基本結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)

紅外測(cè)距的過程

紅外測(cè)距的工作過程簡單來講就是瞄準(zhǔn)目標(biāo)，然后接通電源，啟動(dòng)發(fā)射電路，通過發(fā)射系統(tǒng)，像目標(biāo)發(fā)射紅外信號(hào)，同時(shí)，采樣器采樣發(fā)射信號(hào)，作為計(jì)數(shù)器開門的脈沖信號(hào)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘振蕩器像計(jì)數(shù)器有效的輸入計(jì)數(shù)脈沖，由目標(biāo)反射回來的紅外線回波作用在光電探測(cè)器上，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，經(jīng)過放大器放大，進(jìn)入計(jì)數(shù)器，作為計(jì)數(shù)器的關(guān)門信號(hào)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器從開門到關(guān)門期間，所進(jìn)入的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算得到目標(biāo)距離，測(cè)距公式為：

式中：L——待測(cè)距離；

c——光速；

t——光脈沖在待測(cè)距離上往返傳輸所需要的時(shí)間。

只要求出光脈沖在待測(cè)距離往返傳輸所需要的時(shí)間就可以通過上式求出目標(biāo)距離。紅外脈沖的原理與結(jié)構(gòu)比較簡單、測(cè)距遠(yuǎn)、功耗小。

紅外測(cè)距系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)主要由五部分組成：紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、放大電路、單片機(jī)電路、譯碼顯示電路。其工作過程如圖：

系統(tǒng)工作時(shí)，由發(fā)射單元發(fā)出一束激光，到達(dá)待測(cè)目標(biāo)物后漫反射回來，經(jīng)接收單元接收、放大整形后到距離計(jì)算單元計(jì)算完畢后顯示目標(biāo)物距離。

紅外測(cè)距系統(tǒng)主要元件

紅外線發(fā)射器件

紅外線發(fā)射器件是最長用的為紅外發(fā)光二極管，它與普通發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)原理以及制作工藝基本相同，是只有一個(gè)PN結(jié)的半導(dǎo)體器件，只是所有的材料不同，制造紅外發(fā)光二極管砷化鉀，砷鋁鉀等，其中應(yīng)用最多的是砷化鉀。

紅外發(fā)光二極管一般采用環(huán)氧樹脂，玻璃，塑料等封裝，除白色透明材料封裝外，還可見到用藍(lán)色透明材料封裝的，。紅外發(fā)光二極管按發(fā)光功率的大小，可分為小功率，中功率，大功率三種。另外，紅外發(fā)光二極管除頂面發(fā)光型外，還有側(cè)面發(fā)光型。小功率管一般采用全塑封裝，也有部分是采用陶瓷底座，頂端用玻璃或環(huán)氧樹脂透鏡封裝的，中大功率管一般采用帶螺紋金屬底座，以便安裝散熱片。隨著發(fā)光功率得提高，相應(yīng)體積的管子也增大。

紅外發(fā)光二極管的主要參數(shù)

正向工作電流

指紅外發(fā)光二極管長期工作時(shí)，允許通過的最大平均電流，因?yàn)殡娏魍ㄟ^PN結(jié)時(shí)，要消耗一定的功率而引起管子發(fā)熱，如管子長期超過I運(yùn)行，會(huì)因過熱而燒毀，因此，使用的最大平均正向工作電流不得超過I。

光功率

指輸入到發(fā)光二極管的電功率轉(zhuǎn)化為光輸出功率的那一部分。光功率越大，發(fā)射距離越遠(yuǎn)。

指紅外發(fā)光二極管所發(fā)出近紅外光中，光強(qiáng)最大值所對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長，在選用紅外接收管時(shí)，其受光峰值波長應(yīng)盡量靠近。

指管子未被反向擊穿時(shí)反向電流的大小，希望它越小越好。

由于紅外發(fā)光二極管PN結(jié)電容的存在，影響了它的工作頻率。現(xiàn)在，紅外發(fā)光二極管的相應(yīng)時(shí)間一般為最高工作頻率為幾十兆赫。

紅外線光敏二極管

我們知道半導(dǎo)體具有光電效應(yīng)，即用光照半導(dǎo)體，可使半導(dǎo)體的電阻率發(fā)生變化。利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)可以制成光電二極管，不同的半導(dǎo)體材料對(duì)不同波長的入射光的響應(yīng)是不同的。

光敏二極管有頂面受光和側(cè)面受光兩種形式。它也是采用塑料、玻璃、環(huán)氧樹脂等材料封裝。

光敏二極管的主要參數(shù)

光電流IL

指在一定反向電壓下，入射光強(qiáng)為某一定值時(shí)流過管子的電流。光敏二極管的光電流一般為幾十μA，并與入射光強(qiáng)成正比。

暗電流ID

指在一定反向電壓下，無光照時(shí)流過管子的電流。一般在50V反壓下，ID小于0.1μA。

反向工作電壓UR

是指在無光照時(shí)，光敏二極管反向電流小于0.2μA-0.3μA時(shí)，允許的最高反向工作電壓，一般在10V左右，最高可達(dá)幾十伏。

紅外測(cè)距硬件電路

單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)由CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器、定時(shí)器系統(tǒng)、串行口、A/D、并行I/O口，中斷和復(fù)位系統(tǒng)組成。如圖：

控制板ASBUS總線

簡單類似于ISA和PCI總線。采用堆疊式的ASBUS擴(kuò)展卡可以方便擴(kuò)展控制板的功能?？偩€通常包含了幾十條分立的線，每一條被賦予一個(gè)特定的含義或功能。

總線可以分成三個(gè)功能組：

數(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)線提供系統(tǒng)模塊間傳送數(shù)據(jù)的路徑。這些線結(jié)合在一起稱為數(shù)據(jù)總線。線的數(shù)目稱為數(shù)據(jù)總線的寬度。

地址線：地址線用于指定數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)的來源和去向。地址線的寬度決定了系統(tǒng)能夠使用的最大的存儲(chǔ)器容量。

控制線：控制線用來控制對(duì)數(shù)據(jù)地址線的訪問和使用。由于數(shù)據(jù)線和地址，所有模塊共享，因此必須用一種方法來控制他們的使用。

紅外發(fā)射電路

電路組成：紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路是由一個(gè)簡單的共射放大電路和一個(gè)作為開關(guān)的三極管電路組成的模塊。電路原理如圖：

電路工作原理：在共射放大電路中，紅外發(fā)光二極管TLN205接于共射放大電路的集電極，與基極和發(fā)射極相接的二極管起溫度補(bǔ)償作用?？刂乒苣_Vin與68HC11E1芯片管腳Vcc相接。當(dāng)控制管腳Vin有信號(hào)輸入時(shí)，控制電路的三極管導(dǎo)通,同時(shí)整個(gè)電路導(dǎo)通,紅外發(fā)光二極管TLN205發(fā)射出紅外光。

紅外接收放大電路

電路組成:紅外接收驅(qū)動(dòng)電路是由紅外接收管TPS708和兩個(gè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋模擬運(yùn)算放大電路組成的模塊.紅外接收驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為兩極放大是因?yàn)樵谠S多情況下，輸入信號(hào)是很微弱的，要把這樣微弱的信號(hào)放大到足以帶動(dòng)負(fù)載，僅用一級(jí)電路放大定是做不到的，必須經(jīng)多級(jí)放大，以滿足放大倍數(shù)和其他性能方面的要求。

電路工作原理:紅外發(fā)光管TLN205發(fā)射出的紅外光,在遇到前面的障礙物反射后,由紅外接收管TPS708接收,此時(shí)TPS708會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的電流。電流經(jīng)由LM358兩級(jí)放大后,在輸出端可以得到一個(gè)0～3V的模擬電壓,作68HC11E1單片機(jī)模擬輸入量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果在LED上顯示出來。

運(yùn)算放大電路定量分析：我們采用負(fù)反饋模擬運(yùn)算放大電路，是因?yàn)樨?fù)反饋具有提高增益穩(wěn)定性、展寬放大器通頻帶與減少非線性失真和噪音三大優(yōu)點(diǎn)，并且負(fù)反饋還有對(duì)相應(yīng)的輸出量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。

電源電路

電路組成：該穩(wěn)壓電源由變壓電路、整流電路、濾波電路、和穩(wěn)壓電路四大部分組成。如圖所示：

電路工作原理：該電路為交直轉(zhuǎn)換電源電路，首先，由變壓器將市電220V交流電變成9V的交流電，再經(jīng)單相橋式整流電路將交流電變?yōu)樗枰闹绷麟姡笤俳?jīng)濾波電路、7805穩(wěn)壓器把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流5V電壓輸出，供整個(gè)紅外測(cè)距模塊使用。

濾波電路

整流輸出的電壓是一個(gè)單方向脈動(dòng)電壓，雖然是直流，但脈動(dòng)較大，為了得到平滑的直流電壓波形，必須采用濾波電路，以改善輸出電壓的脈動(dòng)性，常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波等，此處采用電容濾波。

單相半波整流電容濾波電路如圖所示，由于電容兩端電壓不能突變，因而負(fù)載兩端的電壓也不會(huì)突變，使輸出電壓得以平滑，達(dá)到濾波目的。

通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩(wěn)定的，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化時(shí)，輸出電壓會(huì)隨之改變。電子設(shè)備一般都需要穩(wěn)定的電源電壓。如果電源電壓不穩(wěn)定會(huì)引起直流放大器的零點(diǎn)漂移、交流燥聲增大、測(cè)量儀表的測(cè)量精度降低等。因此，必須進(jìn)行穩(wěn)壓，目前，中小功率設(shè)備中廣泛采用的穩(wěn)壓電源有并聯(lián)型穩(wěn)壓電源、串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、集成穩(wěn)壓電路及開關(guān)型穩(wěn)壓電路。

數(shù)碼管顯示電路

電路組成：LED動(dòng)態(tài)顯示電路如圖9所示，ASBUSA的數(shù)據(jù)輸出口PC0～PC7與74LS373的數(shù)據(jù)輸入口D0～D7連接，74LS373輸出的高四位Q4～Q7經(jīng)74LS247譯碼與DS2相連，低四位Q0～Q3經(jīng)74LS247譯碼與DS1相連，兩個(gè)LED可顯示10～80的距離值。

電路工作原理: ASBUSA的數(shù)據(jù)輸出口PC0～PC7輸出距離的BCD碼，經(jīng)74LS373鎖存后，高四位Q4～Q7經(jīng)74LS247譯碼為相應(yīng)的斷碼由七段碼顯示管顯示十位數(shù)，低四位Q0～Q3經(jīng)74LS247譯碼為相應(yīng)的斷碼由七段碼顯示管顯示個(gè)位數(shù)，因此距離可由兩個(gè)LED顯示管顯示出來。

軟件模塊框圖

當(dāng)單片機(jī)接收到紅外接收電路傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換程序，將片外的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)電壓—距離轉(zhuǎn)換子程序，將變化的電壓轉(zhuǎn)換為距離。最后，在LED顯示器上顯示出來。