卜令濤
(明達(dá)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 射陽(yáng) 224300)
PSD是一種基于橫向光電效應(yīng)的位置敏感傳感器,由于其對(duì)光斑位置的敏感達(dá)到了微米級(jí)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?yàn)樗脑靸r(jià)成本高,且微米級(jí)的精度也沒(méi)必要,因此并不普及。基于PSD技術(shù)的夏普GP2Y0A21傳感器默認(rèn)的測(cè)距分辨率為1mm,在經(jīng)過(guò)本文的電路設(shè)計(jì)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(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)中工程應(yīng)用的要求。
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(gè)公式通過(guò)電路的設(shè)計(jì)可以確定光照位置,但這是在理想情況下所得,實(shí)際情況是背景光以及半導(dǎo)體的暗電流會(huì)對(duì)X造成較大的誤差[6]。因此許多學(xué)者在Lucovusky方程的基礎(chǔ)上提出了光信號(hào)調(diào)制解調(diào)法、采樣—保持法等手段加以輔助[7]。對(duì)于光信號(hào)的調(diào)制解調(diào)法,其方法是利用互相關(guān)檢測(cè)原理,對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解擬電壓的形式,且價(jià)格低廉,因此工程測(cè)量等方面有很多可以值得挖掘利用的實(shí)用前景。
由于GP2Y0A21是基于PSD原理的設(shè)計(jì),而PSD的光譜范圍很寬[4],對(duì)于PSD來(lái)說(shuō),這既是它的優(yōu)點(diǎn)也是它的缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)是它能夠適應(yīng)各種光譜的設(shè)計(jì),缺點(diǎn)是容易被周?chē)h(huán)境的雜光影響,尤其是背景光;早在上世紀(jì)60年Lucovusky利用橫向光電效應(yīng)引導(dǎo)出PSD方程[5]:
夏普GP2Y0A21型距離測(cè)量傳感器是基于PSD的微距傳感器,其有效的測(cè)量距離在80 cm以內(nèi),有效的測(cè)量角度大于40°,輸出的信號(hào)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(yīng)時(shí)間約為5ms,并且對(duì)背景光及溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)[3]。由于輸出的信號(hào)為模調(diào)[8],由于調(diào)制的光信號(hào)有時(shí)間相關(guān)性并與時(shí)間成函數(shù)關(guān)系,雜波等信號(hào)則沒(méi)有此特性,在接收部分再對(duì)此函數(shù)信號(hào)進(jìn)行一定時(shí)間的積累而雜光等無(wú)法積累,這樣就可以把帶有時(shí)間內(nèi)容的函數(shù)光信號(hào)從雜波中剝離出來(lái),從而濾除了雜光等的影響,得到精確的光照位置信號(hào)。
GP2Y0A21采用了光信號(hào)調(diào)制和解調(diào)電路,其調(diào)制信號(hào)為1 kHz,電路框圖如圖1所示,主要由5個(gè)部分組成:信號(hào)處理電路、紅外LED驅(qū)動(dòng)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(hào)處理電路中又包含了I-V轉(zhuǎn)換電路、比較電路、同步檢測(cè)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(cè)的原理設(shè)計(jì),因此實(shí)際應(yīng)用中幾乎不受類(lèi)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(cè)面的法線之間的夾角,θ2為成像透鏡光軸與被測(cè)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(duì)應(yīng)較小的δ值,這就是夏普GP2Y0A21價(jià)格低廉的原因,因?yàn)棣膶?shí)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(chǔ)上結(jié)合光學(xué)三角原理的設(shè)計(jì)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(chǎng)的測(cè)距普及成為可能。
在斜射式三角測(cè)量原理中,其物位移、像位移等各項(xiàng)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:
利用夏普GP2Y0A21傳感器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)即可開(kāi)發(fā)出性價(jià)比很好的精密定距儀,設(shè)計(jì)思路如框圖2所示,原則是找到夏普GP2Y0A21型距離測(cè)量傳感器對(duì)距離變化最敏感的位置,將這個(gè)位置做為定距的節(jié)點(diǎn),取出此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的精確電壓,以此點(diǎn)電壓為設(shè)計(jì)電路的基準(zhǔn),當(dāng)距離在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生變化時(shí)就會(huì)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(hào)以備各種用途。
圖2 電路設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Diagram of circuit design
在確定基準(zhǔn)電壓方面可根據(jù)需要來(lái)設(shè)置,一般有兩種情況,一種是對(duì)定距距離有優(yōu)先要求(80 cm以內(nèi));第二種是對(duì)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(wú)論哪種方式,都需要有詳細(xì)的GP2Y0A21輸出信號(hào)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(hào)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(duì)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(gè)范圍內(nèi)可以得到較高的分辨率。將此段距離進(jìn)行仔細(xì)測(cè)量得到輸出信號(hào)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(yīng)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(yīng)用前景。從圖4中可以看出在這段距離范圍內(nèi),每移動(dòng)1 mm電壓有效值大約會(huì)有0.2 V的變化,將這個(gè)變化電壓取出進(jìn)行處理,即可達(dá)到精密定距的目的。
由于GP2Y0A21YK傳感器采用的是PSD光信號(hào)調(diào)制法,因此其輸出的信號(hào)電壓并不是標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到 0.2 V,這就影響了分辨率。如果不進(jìn)行信號(hào)處理,分辨率的精度僅能達(dá)到1mm。而如果經(jīng)過(guò)有效處理,在正常情況下可以達(dá)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(hào)關(guān)系Fig.4 Relationship of sensitive areas and output signal
信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)的原則:由于GP2Y0A21YK傳感器輸出信號(hào)中的小方波振幅是個(gè)恒值為0.2 V,那么假設(shè)GP2Y0A21YK傳感器與目標(biāo)物體的距離已經(jīng)固定,傳感器產(chǎn)生的靜態(tài)位移信號(hào)就有兩個(gè)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(huì)有兩個(gè)交替輸出的數(shù)字信號(hào),把這兩個(gè)數(shù)字信號(hào)取出,大的數(shù)字信號(hào)作為后續(xù)比較電路中的上限值,小的數(shù)字信號(hào)作為后續(xù)電路中的下限值。這樣,在傳感器探測(cè)目標(biāo)無(wú)位移時(shí),信號(hào)電壓就在比較器設(shè)定的上下限之間,當(dāng)傳感器有位移信號(hào)輸出時(shí),如果是距離縮小,電壓信號(hào)變小,其小方波中的低值就會(huì)小于設(shè)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(hào)變大,其小方波的高值就會(huì)大于設(shè)定的上限值,同樣也會(huì)在比較電路中表現(xiàn)出來(lái)。
圖5 固定距離時(shí)的調(diào)制信號(hào)Fig.5 Fixed distancemodulated signal
將定距取在GP2Y0A21YK傳感器的敏感點(diǎn)上,從圖4分析取26mm處對(duì)應(yīng)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(guò)8位的ADC(基準(zhǔn)電壓5 V)分別進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換計(jì)算可以得到的01100001、01101011數(shù)碼信號(hào)。這兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼就是用以比較的數(shù)值基準(zhǔn)信號(hào),如圖6所示。
圖6 信號(hào)比較電路框圖Fig.6 Circuit diagram of signal comparison
圖7 信號(hào)處理電路圖Fig.7 Circuit diagram of signal processing
對(duì)應(yīng)8位數(shù)碼信號(hào),在以5 V為基準(zhǔn)電壓的情況下,每一位數(shù)碼對(duì)應(yīng)電壓為0.02 V,從圖4分析,在敏感位置每0.5mm的移動(dòng)會(huì)有約0.1 V的變化,那么對(duì)于0.02 V就對(duì)應(yīng)0.1mm的位移,通過(guò)數(shù)值比較就可以檢測(cè)到0.1mm的位移變化。
分別將兩個(gè)基準(zhǔn)數(shù)碼信號(hào)送到8051單片機(jī)的P1和P2端口并與P0端口的信號(hào)比較,將結(jié)果從P3口輸出;P0端口為傳感器信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)碼信號(hào)。電路如圖7所示。
P1端口外接8位撥動(dòng)開(kāi)關(guān),用以設(shè)定上限值;P2端口外接的8位撥動(dòng)開(kāi)關(guān),用以設(shè)定下限值;它們?cè)O(shè)定好后的值被8051采集并與P0端口采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較;而P0端口則接收ADC0808輸出的8位數(shù)字信號(hào)。設(shè)計(jì)的兩個(gè)8位撥動(dòng)開(kāi)關(guān)SW1和SW2是用以便于調(diào)試操作,實(shí)際也可以直接在程序內(nèi)部進(jìn)行比較,而不必增加外設(shè)。D1到D6為比較結(jié)果輸出, 當(dāng)產(chǎn)生位移距離為 0.1mm 時(shí) (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(méi)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(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中傳感器信號(hào)必然會(huì)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(jī)尖峰脈沖,都會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。因此在單片機(jī)程序中設(shè)計(jì)了每一輪數(shù)據(jù)的比較都進(jìn)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(duì)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(jìn)行靈活設(shè)定,從而達(dá)到較好的穩(wěn)定性,程序流程圖如圖8所示。
圖8 單片機(jī)程序流程圖Fig.8 Flow chart ofmicrocontroller program
程序部分如下:
在普通的實(shí)驗(yàn)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(yīng)時(shí)間10 ms以及基本不受環(huán)境背景光、溫度等的影響。
當(dāng)然隨著分辨率的提高,對(duì)電壓的穩(wěn)定度也提出了更高的要求,每一個(gè)更高指標(biāo)的分辨率,就需要有更精準(zhǔn)的電壓源做保障,比如 8位的 ADC,分辨率達(dá)到 0.1 mm,電源電壓的紋波等就不得超過(guò)0.02 V,分辨率達(dá)到0.025 mm的10位ADC,電源電壓的紋波等就不得超過(guò)0.004 88 V,以此類(lèi)推。
本文設(shè)計(jì)的精密定距儀稍加改動(dòng)也可替代傳統(tǒng)的接近開(kāi)關(guān)等工業(yè)測(cè)量?jī)x器,在對(duì)分辨率沒(méi)有較高的要求下,也可以將定距距離設(shè)計(jì)得更長(zhǎng)一些,這些內(nèi)容可以根據(jù)具體任務(wù)要求來(lái)定。
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