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反射式光電傳感器簡(jiǎn)介 反射式光電傳感器在機(jī)器人中有著廣泛的應(yīng)用?？梢杂脕頇z測(cè)地面明暗和顏色的變化，也可以探測(cè)有無接近的物體。這種光電傳感器的基本原理是，自帶一個(gè)光源和一個(gè)光接收裝置，光源發(fā)出的光經(jīng)過待測(cè)物體的反射被光敏元件接收，再經(jīng)過相關(guān)電路的處理得到所需要的信息。相應(yīng)的，光譜范圍，靈敏度，抗干擾能力，輸出特性等都是反射式光電傳感器的重要參數(shù)。 傳感器的輸出接口問題 TTL電壓工作的推挽輸出傳感器接5V電源的單片機(jī) TTL電壓工作的傳感器可以直接輸出到單片機(jī)，但為了避免不慎從單片機(jī)該端口輸出低電平，可以在傳感器和單片機(jī)之間接一個(gè)1K左右的電阻。 開路輸出的傳感器接51單片機(jī) 如果完全開路輸出，可以直接接到單片機(jī)上，如果使用P0口應(yīng)該加上拉電阻；如果傳感器內(nèi)置上拉電阻而且高電平時(shí)高于5V，可以從單片機(jī)到傳感器端口接一個(gè)肖特基二極管，防止高壓灌入單片機(jī)。上面圖中的成品傳感器就是這種接口的。 非TTL電壓推挽輸出的傳感器接51單片機(jī) 這種接口的基本做法就是串入電阻進(jìn)行限流防止輸出沖突；單片機(jī)端用穩(wěn)壓二極管進(jìn)行限壓防止輸入過壓。 這3種情況如下圖所示： 反射式光電傳感器探頭的制作 1.發(fā)光二極管（LED）的介紹 做傳感器的LED要求亮度高，顏色合適，光斑形狀合適。 為了防止LED損壞,應(yīng)該注意:1.LED的伏安特性曲線很陡,測(cè)試和使用時(shí)一定要串聯(lián)電阻限制電流. 2.氮化鎵材料的高亮度LED容易被反向電壓,靜電或電源尖峰擊穿損壞,電源電壓較高時(shí)不可反接. 不同的管子允許的工作電流不同。紅外的平均電流最大可以用到100毫安，用作調(diào)制時(shí)幾十微秒的窄脈沖峰值甚至可以接近1安。3毫米的白色高亮度管子持續(xù)最大電流20毫安，一般低亮度的管子要小一些。工作電流的限制一是發(fā)熱限制平均電流，二是高電流下亮度飽和限制峰值電流。有些管子電流大了之后還會(huì)變色。 常用的LED有紅外，紅，橙，黃，黃綠，純綠，藍(lán)，紫，紫外，白等顏色。作為成品銷售的“變色LED”是在一個(gè)管殼（通常是乳白色的，用于使光線混合均勻）里封裝了多個(gè)不同顏色的LED，紅，綠，藍(lán)三色的LED非常適合作顏色傳感器的照明。紅外線LED配合紅外接收管抗干擾能力強(qiáng)，但是不適合用于識(shí)別顏色，因?yàn)槲矬w在可見光下的顏色不能很好的代表它對(duì)于紅外線的反射率。驗(yàn)鈔用的管子發(fā)光含有紫色光和紫外線，點(diǎn)亮?xí)r不要正對(duì)著眼睛長(zhǎng)時(shí)間觀看。更適合做傳感器。（顏色識(shí)別時(shí)，乳白色管殼比無色透明管殼還要好。）管殼有色的管子適合 管殼無色透明的管子透光性能好一些，散射小，做指示燈。直徑5毫米的管子品種較多，亮度較高，發(fā)出的光束比直徑3毫米的管子要集中（頂角?。赵谖矬w上光斑小，更適合用來識(shí)別白線。LED的伏安特性曲線很陡,可以作穩(wěn)壓用,給電路提供基準(zhǔn)電壓.紅色的大約1.8V,藍(lán)色的可以超過3V。 2.接收管的介紹。 常用的接收管有硅光電二極管，硅光電三極管，光敏電阻三種。光電二極管產(chǎn)生的電流?。ㄎ布?jí)），需要高倍放大，但是速度很高，可以高頻調(diào)制。在遮光狀態(tài)下的特性類似普通二極管。使用時(shí)加反向電壓，輸出與光照強(qiáng)度近似成正比的光電流。光電三極管一般基極不引出，只有兩根管腳，購(gòu)買的時(shí)候叫做光敏管。光電三極管產(chǎn)生的電流較大（幾百微安以上），無需前置高倍放大，但是速度較低，調(diào)制頻率低于100KHz。遮光狀態(tài)下正反向電阻都很大，用強(qiáng)光（比如臺(tái)燈）照射，可以測(cè)出一個(gè)方向的電阻明顯變小，這個(gè)方向是正向。使用時(shí)加正向電壓>1V，輸出與光照強(qiáng)度近似成正比的光電流。 這些光電接收管的外殼有無色透明和黑色兩種，黑色管殼幾乎只透過紅外光，與紅外發(fā)光管配套使用。 光敏電阻的電特性是電阻而不是恒流，受到光照后電阻值大幅度減小，輸出電流也較大，數(shù)量級(jí)類似光電三極管。工作頻率一般較低，但也有高的。在使用上最重要的區(qū)別在于光敏電阻接受光照的是一個(gè)平面，沒有管殼聚光，方向性差。一般用在不區(qū)分光照方向或者要降低成本的電路里。 接收管的光譜特性： 光電二極管，光電三極管都是半導(dǎo)體PN結(jié)光電元件，靠?jī)?nèi)光電效應(yīng)接收光線，因此入射光子能量超過材料能帶寬度才能被接收，表現(xiàn)在它的光譜-靈敏度特性在長(zhǎng)波方向有一個(gè)陡的截止。在短波方向如果波長(zhǎng)太短，靈敏度也會(huì)下降。一般的硅管最適合用在紅外到紅黃光范圍內(nèi)，但是可以一直用到近紫外。 另類的應(yīng)用：用發(fā)光二極管當(dāng)光電二極管，它的材料能帶較寬，只接收短波的可見光。理論上可以用于識(shí)別顏色。 某些光敏電阻對(duì)于可見光中間部分的靈敏度較高。 加裝濾色片（可以用玻璃紙）可以方便的改變管子的光譜特性以制造各種顏色傳感器。 3．傳感器探頭的實(shí)際制作 1）識(shí)別白線： 可以用白色管子。如果背景是綠色，紅光比較好用，紅外也行。但是背景有紅綠藍(lán)各種顏色特別是紅色時(shí)，紅光的區(qū)分度就不大了。比如Robocon比賽的紅色或者藍(lán)色的出發(fā)區(qū)。這次我們校隊(duì)就因?yàn)闆]有注意這個(gè)問題而吃了大虧。在這種情況下可以用藍(lán)色，紅色或紫色（驗(yàn)鈔用，含紫外線）的管子。 幾何形狀是發(fā)射管和接收管一個(gè)直立一個(gè)傾斜，指向同一個(gè)位置以消除鏡面反射光。 這些管子可以焊在一小塊電路板上,在前端套上熱縮套管減小光線發(fā)散,這樣做成探頭,但是這樣既不堅(jiān)固準(zhǔn)確又不抗干擾,最麻煩的是多個(gè)探頭作成陣列使用時(shí)性能不一致。較好的做法是在一個(gè)鋁塊或木塊上打孔后把管子插在里面，周圍圍上黑膠布遮光。探頭的光斑要小，這樣識(shí)別白線才準(zhǔn)確。相鄰的探頭距離要合適。 探頭的布置是出于控制方便的考慮，一般是中間放一排探頭跟蹤白線，兩邊各一個(gè)數(shù)橫線。中間的這一排探頭要放在驅(qū)動(dòng)輪前面，距離盡量的遠(yuǎn)，數(shù)量盡量的多。因?yàn)檐嚿砥x白線的時(shí)候是先有角度偏差再累積（積分）為橫向偏差，兩個(gè)相加后構(gòu)成探頭與白線的偏差。 探頭越靠前，角度偏差占的比例越大，反饋的相位滯后越小，環(huán)路越容易穩(wěn)定，振蕩小。相反的，探頭靠后了就會(huì)振蕩的比較大甚至發(fā)散。探頭在最前面，驅(qū)動(dòng)輪在最后面，用2個(gè)探頭就能用了?？紤]到轉(zhuǎn)彎時(shí)可能產(chǎn)生比較大的橫向偏差，最好放3個(gè)。 我們今年在比賽失敗的直接原因就是清障的小機(jī)器人跟蹤白線的探頭只有兩個(gè)，而且有兩個(gè)萬向輪，驅(qū)動(dòng)輪打滑嚴(yán)重。在自己搭的場(chǎng)地上從來沒出問題，但是一到北京就出問題不可收拾，結(jié)果障礙物無法清除，把沖頂機(jī)器人擋住了。 探頭靠后了就要多放幾個(gè).如果放在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間就要放一長(zhǎng)排,用PID算法. 為了避免鏡面反射，如果使用平行的發(fā)光管和接收管，在指向待測(cè)點(diǎn)的前提下，應(yīng)不要垂直于待測(cè)表面，應(yīng)該有個(gè)傾角。另外，探頭的安裝離待測(cè)點(diǎn)的距離要根據(jù)電路靈敏度和信噪比來定，非調(diào)制的傳感器探頭要注意遮光。 2）識(shí)別各種顏色： 如果要識(shí)別各種顏色，可以用帶不同濾色片的接收管，或者幾個(gè)不同顏色的發(fā)射管輪流點(diǎn)亮（包括全部熄滅的狀態(tài)）用一個(gè)接收管接收，再作A/D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)處理。幾個(gè)管子必須是識(shí)別同一個(gè)地方的顏色，并且相對(duì)距離不能變動(dòng)。否則會(huì)把黑白認(rèn)成彩色。 3）接近開關(guān)：識(shí)別有物體靠近，可以用紅外對(duì)管+調(diào)制，或者直接購(gòu)買成品。 |
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