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紅外線(xiàn)技術(shù)在測(cè)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用
2012-08-09
紅外線(xiàn)技術(shù)在測(cè)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用
1、紅外測(cè)速傳感器概述
紅外線(xiàn)對(duì)射管的驅(qū)動(dòng)分為電平型和脈沖型兩種驅(qū)動(dòng)方式，本系統(tǒng)中紅外傳感器選用脈沖型驅(qū)動(dòng)方式。由紅外線(xiàn)對(duì)射管陣列組成分離型光電傳感器。該傳感器的創(chuàng)新點(diǎn)在于能夠抵抗外界的強(qiáng)光干擾。太陽(yáng)光中含有對(duì)紅外線(xiàn)接收管產(chǎn)生干擾的紅外線(xiàn)，該光線(xiàn)能夠?qū)⒓t外線(xiàn)接收二極管導(dǎo)通，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。本傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠設(shè)置多點(diǎn)采集，對(duì)射管陣列的間距和陣列數(shù)量可根據(jù)需求選取。
2、紅外線(xiàn)測(cè)速傳感器硬件設(shè)計(jì)
2.1紅外線(xiàn)發(fā)射管電路設(shè)計(jì)
發(fā)射管選取SIR204-A型發(fā)射管，該紅外線(xiàn)二極管驅(qū)動(dòng)電流范嗣為20～100mA，其正向?qū)▔航禐?.3～1.5V，發(fā)出紅外線(xiàn)光波長(zhǎng)范圍約為835～930nm，發(fā)射角度為30°，直射時(shí)紅外線(xiàn)光強(qiáng)度最大。發(fā)射管驅(qū)動(dòng)電壓采用脈沖電壓，38kHz載波頻率，發(fā)送時(shí)長(zhǎng)為280μs，占空比為1/2的方波，發(fā)送間隔為720μs。載波脈沖需要與紅外線(xiàn)接收管的型號(hào)相匹配。紅外發(fā)射管能夠匹配光電晶體管、光敏二極管和紅外接收器模塊，紅外傳感器的接收部分選擇了帶有放大和濾波功能的紅外線(xiàn)接收二極管。發(fā)射部分的設(shè)計(jì)需要考慮到接收部分的制約。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證調(diào)制脈沖驅(qū)動(dòng)電流能夠匹配紅外線(xiàn)接收管，將紅外線(xiàn)接收管導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)發(fā)射管PWM的波形如圖l所示。
脈沖信號(hào)由R29處輸入，通過(guò)NPN型三極管，從而控制紅外發(fā)射管VD3的通斷情況，本電路中單個(gè)紅外管驅(qū)動(dòng)電流選擇值約為20mA。由于NPN型三極管驅(qū)動(dòng)電流低于20mA，需在電路中加入P-mos管增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。R18和R29的電阻值需要匹配，若2個(gè)電阻匹配不佳，會(huì)造成驅(qū)動(dòng)脈沖波形毛刺較多，使二極管導(dǎo)通能力減弱，導(dǎo)通時(shí)間延遲增大。R18盡量大，能夠減少電路功耗，R18和R29都選用10kΩ電阻。紅外線(xiàn)發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定，會(huì)造成接收判斷失效，驅(qū)動(dòng)電路的配置要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行匹配。
2.2紅外線(xiàn)接收管電路設(shè)計(jì)
紅外線(xiàn)接收管內(nèi)部電路如圖3所示，紅外線(xiàn)接收二極管內(nèi)部電路將導(dǎo)通后微弱脈沖信號(hào)放大、濾波整形，輸出單片機(jī)可以識(shí)別的方波脈沖信號(hào)。該類(lèi)型紅外線(xiàn)接收管導(dǎo)通波長(zhǎng)范圍約為850～1050nm，紅外線(xiàn)發(fā)射管發(fā)射波長(zhǎng)約為875nm，能夠滿(mǎn)足紅外線(xiàn)接收管導(dǎo)通要求。
紅外線(xiàn)接收管選用HS0038型的紅外一體接收頭，該器件集成度高，能夠以小成本實(shí)現(xiàn)圖3所示功能。紅外線(xiàn)接收管需要接收38kHz左右?guī)挼拿}沖波形，接收發(fā)射管只能接收間歇發(fā)射的紅外線(xiàn)，發(fā)射紅外線(xiàn)過(guò)于密集，接收管無(wú)法導(dǎo)通，需要予以注意。紅外線(xiàn)發(fā)射管發(fā)出38kHz載波，將紅外線(xiàn)接收管導(dǎo)通。該波形頻率為1kHz，周期內(nèi)高電平時(shí)間720μs，低電平時(shí)間280μs。當(dāng)有物體遮擋紅外線(xiàn)對(duì)射管時(shí)，發(fā)射源被遮擋，紅外線(xiàn)接收管無(wú)法導(dǎo)通，輸出高電平。由此可以判斷是否有物體從紅外線(xiàn)對(duì)射管中間通過(guò)。紅外線(xiàn)接收管導(dǎo)通時(shí)的輸出波形如圖4所示。
當(dāng)紅外線(xiàn)接收管被正面遮擋時(shí)，周?chē)系K物體反射由紅外線(xiàn)發(fā)射管發(fā)出的紅外線(xiàn)。此時(shí)微弱的信號(hào)會(huì)隨著紅外線(xiàn)接收管內(nèi)部自動(dòng)增益控制調(diào)節(jié)到最大而產(chǎn)生方波波形，對(duì)紅外線(xiàn)接收管造成干擾。干擾使采集到的信號(hào)復(fù)雜，需要采用濾波手段將雜波干擾濾除。經(jīng)過(guò)分析和示波器觀(guān)察，雜波的頻率大于1kHz。在紅外線(xiàn)接收管輸出端接入有源濾波電路，能夠?qū)⒏哂?kHz的雜波濾掉。由此輸出的波形為紅外線(xiàn)接收管導(dǎo)通和未導(dǎo)通兩種狀態(tài)下的信號(hào)，未摻雜干擾，較容易區(qū)分，可以根據(jù)特點(diǎn)編寫(xiě)算法，判斷是否有物體從紅外線(xiàn)對(duì)射管中間通過(guò)。
3、紅外線(xiàn)測(cè)速傳感器軟件設(shè)計(jì)
控制軟件需要保證紅外線(xiàn)對(duì)射管一對(duì)一工作，且對(duì)信號(hào)采集處理，對(duì)采集的信號(hào)編寫(xiě)算法程序，完成對(duì)物體是否遮擋紅外線(xiàn)對(duì)射管的判定，即分辨紅外線(xiàn)接收管是否被導(dǎo)通。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)取脈沖個(gè)數(shù)，可以將物體遮擋某個(gè)紅外線(xiàn)接收管的時(shí)間記錄下來(lái)。程序流程如圖5(a)所示，需要不斷判定第一個(gè)紅外線(xiàn)接收管的輸出狀態(tài)，當(dāng)確定有物體遮擋時(shí)，將開(kāi)始標(biāo)志位置為1，單片機(jī)開(kāi)始讀取其他接收管狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，下一對(duì)紅外線(xiàn)對(duì)射管的接收管被遮擋停止計(jì)時(shí)。紅外線(xiàn)發(fā)射管按順序依次發(fā)射紅外線(xiàn)，處理單元依次讀取紅外線(xiàn)接收管狀態(tài)，可以防止鳥(niǎo)或人無(wú)意遮擋引起的誤判現(xiàn)象。判斷有物體遮擋的程序思想為判斷1ms內(nèi)，是否有物體遮擋，若沒(méi)有物體遮擋，紅外線(xiàn)接收管輸出的脈沖波形保持不變;若有物體遮擋，紅外線(xiàn)接收管輸出高電平持續(xù)1ms以上。紅外線(xiàn)接收管輸出狀態(tài)是否為高電平，可以判斷是否有物體遮擋。當(dāng)按順序掃描的前一對(duì)紅外線(xiàn)對(duì)管被判定遮擋時(shí)，開(kāi)始掃描下一對(duì)管子的脈沖個(gè)數(shù)，同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器。延時(shí)50μs，判定接收管接收到的是否為脈沖，判定是否為脈沖則需要判定引腳是否為低電平，如果引腳為低電平，計(jì)數(shù)值清零。計(jì)數(shù)值并不是計(jì)數(shù)器的值，而是計(jì)算延時(shí)50μs的次數(shù)是否達(dá)到28。
4、整體結(jié)構(gòu)
紅外線(xiàn)對(duì)射管構(gòu)成一對(duì)紅外傳感器收發(fā)子單元。若干對(duì)紅外傳感器收發(fā)子單元構(gòu)成完整的紅外線(xiàn)測(cè)速傳感器，其紅外線(xiàn)對(duì)射管分離距離和紅外傳感器收發(fā)子單元間距可以調(diào)整。如圖6所示，Ⅳ需要大于2，分離距離超過(guò)5m。在兩對(duì)紅外線(xiàn)對(duì)射管之間測(cè)量物體經(jīng)過(guò)的時(shí)間T，間距設(shè)置為L(zhǎng)，可以得到后一對(duì)紅外線(xiàn)對(duì)射管的即時(shí)速度V：
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