王大偉 周強

【摘要】介紹和分析了幾種實際的光電檢測電路，并對難點問題的多種方案進行了研究和比較。

【關(guān)鍵詞】光電檢測電路；抗干擾；微分電路；測量

1引言

在過去的全國電子設(shè)計大賽上經(jīng)常出現(xiàn)自動小車的題目，這其中的難點就是非接觸目標的檢測和識別上。有一年的題目要求小汽車能夠檢測跑道中的黑線和跑道左右兩側(cè)的擋板，如圖1所示。而有一年的競賽題目難度加大，要求小車沿著黑色跑道前進，并且在光源的引導下繞開障礙物進入停車區(qū)，如圖2所示。將競賽中涉及到的非接觸式測量歸結(jié)為三類：檢測黑線、尋找光源、識別障礙物或擋板。對于這三類問題，使用光電器件、配以相應(yīng)的調(diào)理電路和合理的信號處理手段，都能取得滿意的檢測效果。

圖1 小車檢測黑線和擋板

圖2 小車繞開障礙物沿跑道前進

2 黑線檢測電路

圖3是一個以光電元件ST168為核心的黑線檢測電路。其工作原理是這樣：在正常工作情況下，ST168的發(fā)射端發(fā)出恒定的不可見光（紅外線），當紅外線被白紙或黑線反射給ST168的接收端（光敏電阻）時，由于白紙和黑線反射光線的強度不同，會引起光敏電阻的阻值變化。一般情況下，當反射物由白紙變?yōu)楹诰€，光敏電阻的阻值會從幾十KΩ變?yōu)閹装貹Ω，A點的電壓下降，使PNP型三極管導通，電路輸出端B點電壓改變（由邏輯1變?yōu)檫壿?），送入單片機中進行進一步處理。

圖3 黑線檢測電路

值得一提的是，大多數(shù)自動小車的核心器件采用的是51系列的單片機，如AT89C51。而在對單片機進行端口資源分配時應(yīng)注意：由于AT89C51的4個并行I/O口中，只有P0是一個標準雙向三態(tài)口，其輸出驅(qū)動電路是由2個場效應(yīng)管串聯(lián)而成，等效輸入電阻大于5MΩ，一般不會對外接電路產(chǎn)生太大的影響。因此盡量保留P0作為檢測電路的輸入口來使用。而P1，P2，P3只是準雙向I/O口，他們的輸出驅(qū)動電路被簡化為一個等效電阻與一個場效應(yīng)管的串聯(lián)電路，等效輸入電阻僅30 kΩ，不可避免的會改變外電路的工作點，特別是對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)阻隨著照射光的強弱在幾十到幾百kΩ之間變化，后者的內(nèi)阻可以達到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法正常使用。

3 光源檢測電路

光源檢測電路非常簡單，在小車的前端每隔30°設(shè)置一個外套細遮光管的光敏電阻，用以接收和檢測特定方向上的光源。該電路如圖4所示。

圖4 光源檢測電路

4 障礙物識別電路

障礙物或擋板的檢測和判斷始終是自動小車的設(shè)計難點。一些參賽隊嘗試使用聲納技術(shù)。利用聲音的傳播速度較慢和單片機的高速運算和處理能力，能夠比較精確測量出小車與障礙物或擋板的實際距離。但是這種方法存在以下幾個問題：

（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，因此只有當障礙物的形狀和位置比較簡單和明確時，才適合使用。當被測物位置隨機放置，若要收到理想的檢測效果必須增加硬件（如至少2個發(fā)聲和接受裝置）。同時在信號處理過程中的計算工作也很繁重。特別是當小車的周圍還具有與障礙物距離接近的物體時，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)比較復雜，價格較昂貴。

（3）聲音在空氣中傳播的過程中損耗較小，因此傳播距離較遠，遠處的物體與障礙物一樣能夠反射聲波，并對稍后的障礙物反射波造成干擾。和聲納測物相比，用光線測障礙物的方案更可行，不過采用類似圖3或圖4中的電路顯然對外界光線的變化缺少適應(yīng)性。而事實上外界光線的強度變化很大，在試驗中發(fā)現(xiàn)不同時間、不同房間、相同房間不同位置甚至人員在房間內(nèi)走動所引起光強度的變化，都足以覆蓋障礙物反射光強度的變化。因此，抑制干擾信號，保留檢測信號，同時增強對外界擾動光線變化的自適應(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

這種方法是在小車的相同方向上安裝2個光敏元件ST188，為了便于區(qū)分稱之為ST188A和B。其中A的發(fā)射端和接收端都工作，而B只有接收端工作。因此當小車接近擋板或障礙物時，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個特性比較一致ST188，那么ΔrA自然=ΔrB自然，圖5中將2個ST188的接受端分別放入一個運放構(gòu)成的加法電路中，由于A和B處在電橋的對邊的位置上，完成的實際是減法運算，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)點是能夠消除外界光線的干擾。在大多數(shù)情況下可以準確檢測目標。

圖5 基于差模方式的障礙物檢測方式

但是這種方法也有局限性：

（1）對2個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。使得檢測電路的靈敏度受到影響。而在實際中由于ST188等光電元件的非線性和弱回滯特性，要找到2個輸入輸出特性非常接近的器件并不容易，需要對多個同類元件進行反復測試、對比和挑選。

（2）當外界環(huán)境光線過強的情況下不適合使用。這時接收端的光敏二極管趨于飽和，輸入輸出曲線斜率接近于0，整個檢測電路的靈敏度下降。

4.2 基于微分電路的障礙物檢測方法

工作原理如圖6所示，由單片機的P3.1引腳發(fā)出頻率為100Hz的方波，驅(qū)動ST188發(fā)射端發(fā)光二極管以100Hz的頻率閃動，發(fā)出閃爍的光波，當有障礙物接近時，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V交，消除直流成分V直，我們用隔直電容C1來完成隔直通交的功能，并由后面的放大電路對V交進行放大。具體來說，小車遠離障礙物時，運放的輸出VO為高電平，當小車接近障礙物時，VO輸出幅值是5V頻率為100Hz的方波信號。這種檢測方法的靈敏度較高，對外界光線變化的適應(yīng)性很強。但是其自身存在的缺點也很突出，即微分電路對電源的變化非常敏感，特別是小車的左右轉(zhuǎn)向控制電機的啟動電流很大（200mA以上），會將浪涌噪聲引入電源，引起電池的輸出電壓波動，波動的幅值一般較大，有時可達0.5V，造成檢測電路供電電壓跟隨變化，引起微分電路的誤動作。

為此采用2組獨立的供電電池。一組為小車的電機及驅(qū)動電路供電，另一組為CPU及檢測電路服務(wù)，同時在微分電路的電源端并聯(lián)2個去耦電容，以消除該電源波動對微分電路造成的影響。在兩組電源之間只有通過光耦的光的聯(lián)系，沒有電的聯(lián)系，從而切斷了直流電機產(chǎn)生的浪涌干擾進入檢測單元的途徑。

圖6 基于微分電路的障礙物檢測電路

4.3 以A /D芯片為調(diào)理電路的智能識別方法

在小車運行中，光電傳感器送出的信號包含著有用信號和干擾信號。前面的辦法都是盡量阻止干擾信號進入CPU。實際上，完全可以先將有用信號和干擾信號同時接收進來，然后在微機中利用CPU的資源，根據(jù)兩者自身的規(guī)律，對他進行分析和處理。例如由外界光所產(chǎn)生的干擾信號，具有統(tǒng)計上的隨機性和各態(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)出激勵光源，而在檢測信號中尋找同樣變化規(guī)律的信號。就可以有效的判斷小車與障礙物的接近情況，并且由數(shù)字信號變化的幅度分析小車與障礙物的距離。如圖7所示，由P1.0發(fā)出頻率為200Hz的方波，驅(qū)動ST188發(fā)射端閃爍。同時通過A /D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832將ST188接收端檢測到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并且以串行方式送到CPU中。CPU分析數(shù)字量的變化。在檢測到第一個負跳變之后，如果能夠在連續(xù)的5個固定時刻檢測到4個以上的數(shù)字負跳變，則改變發(fā)射頻率為400Hz，如果同樣地能夠檢測到5個激勵信號中的4個，則說明發(fā)現(xiàn)障礙物。這是一種智能檢測和識別的方法。他的可行性在于：除了隨機的干擾不具有特定的變化規(guī)律外，我們在實驗中發(fā)現(xiàn)，外界光線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)切換的過程中并無抖動現(xiàn)象發(fā)生。

圖7 基于智能識別的障礙物檢測電路

5 結(jié) 語

總之，在實際電路設(shè)計和調(diào)試的過程中，必須根據(jù)具體的情況采取不同的信號調(diào)理電路和相應(yīng)的信號處理方法。實踐表明采用光電傳感器測量黑線、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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