文/胡成平

1 目前紅外自動感應系統(tǒng)存在的不足

現(xiàn)在紅外自動感應系統(tǒng)是根據(jù)紅外光反射強度的原理：紅外發(fā)射管主動發(fā)射紅外光信號照射到物體表面，物體表面反射紅外光信號，紅外接收器檢測物體表面反射的紅外光信號強度，對感應物體進行距離識別；感應物體距離越近反射越強，而在相同的距離，物體顏色越深反射越弱；原因是不同材料、不同顏色的物體反射紅外光的差異非常大；紅外光對不同顏色表面反射的差異性，造成了紅外自動感應系統(tǒng)因物體顏色的不同，可識別的距離偏差非常大，甚至可達到幾十個厘米；紅外自動感應系統(tǒng)存在對感應物體的顏色非常敏感，系統(tǒng)穩(wěn)定性差、感應距離精度低等不足。

2 基于PSD的紅外自動感應抗色差系統(tǒng)

該系統(tǒng)是利用物體表面反射的紅外光信號照射在一維PSD 表面，產(chǎn)生橫向光電效應；通過等效電阻上產(chǎn)生的不同光電流及紅外光反射路徑的三角形比例函數(shù)關(guān)系，計算出感應物體的距離。

2.1 應用PSD的紅外自動感應抗色差原理

紅外光線由發(fā)射管發(fā)出，照射在物體表面，經(jīng)物體表面反射后，經(jīng)過前端焦距為f 的透鏡后，形成光斑透射到一維PSD 上；見圖1。

其中X 為光斑到PSD 中心的距離，M 為PSD 的長度，M1 和M2 分別為PSD 中心距到二邊的長度，見圖2。

圖1

圖2

圖3

且M1+M2=M ① ；PSD 二端分別接信號輸出電極，光斑透射到PSD 上產(chǎn)生光電流I0，而光斑到PSD 左右二邊的距離，可用看成是R1 和R2 二個等效電阻，見圖3。

光斑在R1 和R2 二個等效電阻上形成的光電流分別為：I1 和I2，并且②I1 + I2 = I0；I1 和I2 的大小由入射透鏡的角度及光斑在PSD 上的位置X 決定，根據(jù)圖3的等效電路圖，兩個信號電極的輸出光電流之比為入射光點到PSD二邊距離之比的倒數(shù)，由此列出如下等式：

把① 、②等式代入③式中，可變換為：

由④式可知，紅外光的反射只與光斑在PSD 距離中心線的位置X 有關(guān)，而與入射光強度無關(guān)，

在該系統(tǒng)中，PSD 為入射光斑位置的敏感器件。④式則為PSD 反映光斑位置的輸出信號表達式。紅外發(fā)射器發(fā)射紅外光信號，當遇到物體時反射紅外光信號，通過透鏡在PSD上形成光斑，見圖1所示。PSD 檢測到光斑后，通過硬件電路把光斑在PSD 二邊形成的光電流信號放大并轉(zhuǎn)換成二路電壓信號，輸入到單片機的內(nèi)置A/D 采樣模塊，由A/D 模塊把二路模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可處理的數(shù)字信號；根據(jù)④式，單片機把采樣得到的二路電壓信號進行加減法和除法處理后，計算出光斑在PSD上的偏移位置X 的值。

圖4

圖5

圖7

在圖1中，通過相似直角三角形的對應邊之比相等的比例關(guān)系，列出函數(shù)公式：⑤ f/X=Dm/(L/2) ；因中心距L 為紅外發(fā)射管與接收器件之間的距離，L 為系統(tǒng)的已知值，并且L 值都非常小，只有幾個厘米的距離，遠小于距離Dm 的值，而光斑位置X 的值已由④式計算出來，因此可由⑤ 求得物體與系統(tǒng)之間距離Dm 的值，Dm 值只與PSD 中心偏離值X有關(guān)，與紅外發(fā)射光的強度無關(guān)，也即與物體表面顏色或材料表面粗糙度無關(guān)反射紅外光的強度弱無關(guān)聯(lián)，由此實現(xiàn)了紅外自動感應系統(tǒng)的抗色差要求，并且提高了紅外自動感系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)組成

紅外自動感應抗色差系統(tǒng)主要由以下幾個部份組成：紅外光信號發(fā)射裝置、透鏡裝置、PSD 感應器、信號轉(zhuǎn)換和放大電路、單片機、執(zhí)行處理器件等組成。組成框圖如圖4。

2.3 硬件電路

紅外自動感應抗色差系統(tǒng)硬件原理圖如圖5。

圖6

紅外發(fā)射管D1 發(fā)射紅外光信號，遇到物體時紅外光信號被反射，通過透鏡形成光斑照射到PSD 上形成光電流，經(jīng)U1、U2、U3、U4 對PSD 輸出的光電流進行電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大后，輸入到單片機內(nèi)置A/D 采樣模塊，采樣得到二路電壓信號值V1 和V2，單片機對二路數(shù)字信號進行加、減和除法運算后，根據(jù)④式計算求出光斑在PSD 上的偏移位置X值，通過相似三角形公式的等比例關(guān)系⑤式：f/X=Dm/(L/2+X)求得物體與感應系統(tǒng)之間距離值Dm，通過設(shè)定最大距離Dmax，檢測到物體距離小于Dmax 時，則開啟執(zhí)處器件，距離大于Dmax 時，則關(guān)閉執(zhí)處器件，從而實現(xiàn)了紅外自動感應抗色差系統(tǒng)的執(zhí)行控制。

2.4 軟件流程圖

軟件的流程圖，見圖6。

上電初始化系統(tǒng)后，啟動發(fā)射紅外光信號，進行物體的檢測，開啟A/D 轉(zhuǎn)換子程序，對接收到的A/D 信號采樣，對采樣得到的二路電壓信號進行加法、減法、除法的運算；再通過相似三角形關(guān)系公式，計算出實際距離Dm；進行物體距離檢測比較，并識別實際距離是否符合觸發(fā)控制處理的距離條件要求，符合條件則執(zhí)行控制處理子程序，結(jié)束后，進入下一次循環(huán)查詢。

3 系統(tǒng)的測試與驗證

通過測試，使用不同顏色物體，對原紅外自動感應系統(tǒng)與應用了PSD 的紅外自動感應抗色差系統(tǒng)分別進行了測試對比，二種系統(tǒng)按測試要求，均以標準白板為感應物體，設(shè)定感應距離為50CM，二種系統(tǒng)不同電壓值下測試比較，驗證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；得到數(shù)據(jù)比較，如圖7。

同樣二種系統(tǒng)按測試要求，以白、藍、紅、綠、黃、黑標準色卡板為基準感應物體進行測試，感應距離設(shè)定為50CM，幾種不同顏色的感應物體測試數(shù)據(jù)，如圖8。

從以上二類測試數(shù)據(jù)可知，在不同電壓值及不同顏色的條件下，基于PSD 的紅外自動感應抗色差系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、且對顏色不敏感；大大的提高了紅外自動感應系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，且具有抗色差的特性。

4 結(jié)束語

通過采用PSD 作為紅外接收器件，通過物體表面反射紅外光在PSD 上形成光電流，經(jīng)對電流信號的轉(zhuǎn)換和放大，并在測量電路中應用單片機的內(nèi)置高精度的A/D 采樣模塊和高速CPU 的應用，將A/D 采樣得到的信號進行加法、減法、除法的數(shù)字運算的方式完成，克服硬件運算電路在一定條件下性能不足的缺點；通過軟件算法消除了硬件測量電路中存在的漂移、偏置積累的不良影響，最終的測量距離只與光點的位置偏移量X 有關(guān)，而與入射光強度無關(guān)，不同顏色的感應物體，保持同樣精度的感應距離。改變了紅外傳感器對顏色敏感的特性，滿足了紅外抗色差的技術(shù)要求，并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測距精度。

圖8