紅外測距最早出現于上世紀60年代，是一種以紅外線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)的測量方法。紅外測距的研究有著(zhù)非比尋常的意義，其本身具有其他測距方式?jīng)]有的特點(diǎn)，技術(shù)難度相對不大，系統構成成本較低、性能良好、使用方便、簡(jiǎn)單，對各行各業(yè)均有著(zhù)不可或缺的貢獻，因而其市場(chǎng)需求量更大，發(fā)展空間更廣。紅外測距儀是指用調制的紅外光進(jìn)行精密的距離測量，測量范圍一般為1-5公里。

 

 

紅外線(xiàn)測距傳感器有它的幾個(gè)特點(diǎn)，遠距離測量，在無(wú)反光板和反射率低的情況下能測量較遠的距離；有同步輸入端，可多個(gè)傳感器同步測量；測量范圍廣，響應時(shí)間短；外形設計緊湊，易于安裝，便于操作；所以它的應用價(jià)值比較高。

 

紅外測距的常用方法和原理

 

時(shí)間差法測距原理

 

時(shí)間差法測距原理是將紅外測距傳感器的紅外發(fā)射端發(fā)送信號與接收端接受信號的時(shí)間差t寫(xiě)入單片機中，通過(guò)光傳播距離公式來(lái)計算出傳播距離L。

 

式中c是光的傳播速度為。

 

反射能量法測距原理

 

反射能量法是由發(fā)射控制電路控制發(fā)光元件發(fā)出信號（通常為紅外線(xiàn)）射向目標物體，經(jīng)物體反射后傳回系統的接收端，通過(guò)光電轉換器接收的光能量大小進(jìn)而計算出目標物體的距離L。

 

 

式中P為接收端接收到的能量，K為常數，其大小由發(fā)射系統輸出功率、轉換效率決定，d為被測目標漫反射率。

 

相位法測距原理

 

相位測距法是利用無(wú)線(xiàn)電波段的頻率，對紅外激光束進(jìn)行幅度調制并測定調制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲 ，再根據調制光的波長(cháng)，換算出此相位延遲所代表的距離D，此方式測量精度非常之高，相對誤差可以保持在百分之一以?xún)?，但要求被測目標必須能主動(dòng)發(fā)出無(wú)線(xiàn)電波產(chǎn)生相應的相位值。

 

式中c是光的傳播速度為，是調制信號的角頻率。

 

三角法測距原理

 

三角測量原理。紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當遇到物體以后，光束會(huì )反射回來(lái)，如圖1所示。反射回來(lái)的紅外光線(xiàn)被CCD檢測器檢測到以后，會(huì )獲得一個(gè)偏移值L，利用三角關(guān)系，在知道了發(fā)射角度a，偏移距L，中心矩X，以及濾鏡的焦距f以后，傳感器到物體的距離D就可以通過(guò)幾何關(guān)系計算出來(lái)了。

 

 

紅外測距系統的工作原理

 

反射能量法因其結構簡(jiǎn)單、體積小、成本低,可以廣泛應用于大批量生產(chǎn)的光機電綜合產(chǎn)品，本文后面重點(diǎn)介紹基于此類(lèi)方法的對紅外測距系統。

 

反射能量法基本原理是紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，經(jīng)障礙物反射后，由紅外接收電路的光敏接收管接收前方物體反射光，據此判斷前方是否有障礙物。根據發(fā)射光的強弱可以判斷物體的距離，由于接收管接收的光強隨是隨反射物體的距離變化而變化的，因而，距離近則反射光強，距離遠則反射光弱。

 

因為紅外線(xiàn)是介于可見(jiàn)光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可見(jiàn)光直線(xiàn)傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如較強的穿透能力和能貫穿某些不透明物質(zhì)等。紅外傳感器包括紅外發(fā)射器件和紅外接收器件。自然界的所有物體只要溫度高于絕對零度都會(huì )輻射紅外線(xiàn)，因而，紅外傳感器須具有更強的發(fā)射和接收能力。

 

紅外測距的基本結構及系統

 

紅外測距的過(guò)程

 

紅外測距的工作過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)講就是瞄準目標，然后接通電源，啟動(dòng)發(fā)射電路，通過(guò)發(fā)射系統，像目標發(fā)射紅外信號，同時(shí)，采樣器采樣發(fā)射信號，作為計數器開(kāi)門(mén)的脈沖信號，啟動(dòng)計數器，時(shí)鐘振蕩器像計數器有效的輸入計數脈沖，由目標反射回來(lái)的紅外線(xiàn)回波作用在光電探測器上，轉變?yōu)殡娒}沖信號，經(jīng)過(guò)放大器放大，進(jìn)入計數器，作為計數器的關(guān)門(mén)信號，計數器停止計數，計數器從開(kāi)門(mén)到關(guān)門(mén)期間，所進(jìn)入的時(shí)鐘脈沖個(gè)數，經(jīng)過(guò)運算得到目標距離，測距公式為：

 

 

式中：L——待測距離；

 

c——光速；

 

t——光脈沖在待測距離上往返傳輸所需要的時(shí)間。

 

只要求出光脈沖在待測距離往返傳輸所需要的時(shí)間就可以通過(guò)上式求出目標距離。紅外脈沖的原理與結構比較簡(jiǎn)單、測距遠、功耗小。

 

紅外測距系統框圖

 

本系統主要由五部分組成：紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、放大電路、單片機電路、譯碼顯示電路。其工作過(guò)程如圖：

 

 

系統工作時(shí)，由發(fā)射單元發(fā)出一束激光，到達待測目標物后漫反射回來(lái)，經(jīng)接收單元接收、放大整形后到距離計算單元計算完畢后顯示目標物距離。

 

紅外測距系統主要元件

 

紅外線(xiàn)發(fā)射器件

 

紅外線(xiàn)發(fā)射器件是最長(cháng)用的為紅外發(fā)光二極管，它與普通發(fā)光二極管的結構原理以及制作工藝基本相同，是只有一個(gè)PN結的半導體器件，只是所有的材料不同，制造紅外發(fā)光二極管砷化鉀，砷鋁鉀等，其中應用最多的是砷化鉀。

 

紅外發(fā)光二極管一般采用環(huán)氧樹(shù)脂，玻璃，塑料等封裝，除白色透明材料封裝外，還可見(jiàn)到用藍色透明材料封裝的，。紅外發(fā)光二極管按發(fā)光功率的大小，可分為小功率，中功率，大功率三種。另外，紅外發(fā)光二極管除頂面發(fā)光型外，還有側面發(fā)光型。小功率管一般采用全塑封裝，也有部分是采用陶瓷底座，頂端用玻璃或環(huán)氧樹(shù)脂透鏡封裝的，中大功率管一般采用帶螺紋金屬底座，以便安裝散熱片。隨著(zhù)發(fā)光功率得提高，相應體積的管子也增大。

 

紅外發(fā)光二極管的主要參數

 

正向工作電流

 

指紅外發(fā)光二極管長(cháng)期工作時(shí)，允許通過(guò)的最大平均電流，因為電流通過(guò)PN結時(shí)，要消耗一定的功率而引起管子發(fā)熱，如管子長(cháng)期超過(guò)I運行，會(huì )因過(guò)熱而燒毀，因此，使用的最大平均正向工作電流不得超過(guò)I。

 

光功率

 

指輸入到發(fā)光二極管的電功率轉化為光輸出功率的那一部分。光功率越大，發(fā)射距離越遠。

 

指紅外發(fā)光二極管所發(fā)出近紅外光中，光強最大值所對應的發(fā)光波長(cháng)，在選用紅外接收管時(shí)，其受光峰值波長(cháng)應盡量靠近。

 

指管子未被反向擊穿時(shí)反向電流的大小，希望它越小越好。

 

由于紅外發(fā)光二極管PN結電容的存在，影響了它的工作頻率?，F在，紅外發(fā)光二極管的相應時(shí)間一般為最高工作頻率為幾十兆赫。

 

紅外線(xiàn)光敏二極管

 

我們知道半導體具有光電效應，即用光照半導體，可使半導體的電阻率發(fā)生變化。利用半導體的光電效應可以制成光電二極管，不同的半導體材料對不同波長(cháng)的入射光的響應是不同的。

 

光敏二極管有頂面受光和側面受光兩種形式。它也是采用塑料、玻璃、環(huán)氧樹(shù)脂等材料封裝。

 

光敏二極管的主要參數

 

光電流IL

 

指在一定反向電壓下，入射光強為某一定值時(shí)流過(guò)管子的電流。光敏二極管的光電流一般為幾十μA，并與入射光強成正比。

 

暗電流ID

 

指在一定反向電壓下，無(wú)光照時(shí)流過(guò)管子的電流。一般在50V反壓下，ID小于0.1μA。

 

反向工作電壓UR

 

是指在無(wú)光照時(shí)，光敏二極管反向電流小于0.2μA-0.3μA時(shí)，允許的最高反向工作電壓，一般在10V左右，最高可達幾十伏。

 

紅外測距硬件電路

 

單片機最小系統

 

單片機由CPU、片內存儲器、定時(shí)器系統、串行口、A/D、并行I/O口，中斷和復位系統組成。如圖：

 

 

控制板ASBUS總線(xiàn)

 

 

簡(jiǎn)單類(lèi)似于ISA和PCI總線(xiàn)。采用堆疊式的ASBUS擴展卡可以方便擴展控制板的功能?？偩€(xiàn)通常包含了幾十條分立的線(xiàn)，每一條被賦予一個(gè)特定的含義或功能。

 

總線(xiàn)可以分成三個(gè)功能組：

 

數據線(xiàn)：數據線(xiàn)提供系統模塊間傳送數據的路徑。這些線(xiàn)結合在一起稱(chēng)為數據總線(xiàn)。線(xiàn)的數目稱(chēng)為數據總線(xiàn)的寬度。

 

地址線(xiàn)：地址線(xiàn)用于指定數據線(xiàn)上數據的來(lái)源和去向。地址線(xiàn)的寬度決定了系統能夠使用的最大的存儲器容量。

 

控制線(xiàn)：控制線(xiàn)用來(lái)控制對數據地址線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)和使用。由于數據線(xiàn)和地址，所有模塊共享，因此必須用一種方法來(lái)控制他們的使用。

 

紅外發(fā)射電路

 

電路組成：紅外發(fā)射驅動(dòng)電路是由一個(gè)簡(jiǎn)單的共射放大電路和一個(gè)作為開(kāi)關(guān)的三極管電路組成的模塊。電路原理如圖：

 

 

電路工作原理：在共射放大電路中，紅外發(fā)光二極管TLN205接于共射放大電路的集電極，與基極和發(fā)射極相接的二極管起溫度補償作用?？刂乒苣_Vin與68HC11E1芯片管腳Vcc相接。當控制管腳Vin有信號輸入時(shí)，控制電路的三極管導通,同時(shí)整個(gè)電路導通,紅外發(fā)光二極管TLN205發(fā)射出紅外光。

 

紅外接收放大電路

 

 

電路組成:紅外接收驅動(dòng)電路是由紅外接收管TPS708和兩個(gè)電壓串聯(lián)負反饋模擬運算放大電路組成的模塊. 紅外接收驅動(dòng)電路設計為兩極放大是因為在許多情況下，輸入信號是很微弱的，要把這樣微弱的信號放大到足以帶動(dòng)負載，僅用一級電路放大定是做不到的，必須經(jīng)多級放大，以滿(mǎn)足放大倍數和其他性能方面的要求。

 

電路工作原理:紅外發(fā)光管TLN205發(fā)射出的紅外光,在遇到前面的障礙物反射后,由紅外接收管TPS708接收,此時(shí)TPS708會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與光強相對應的電流。電流經(jīng)由LM358 兩級放大后,在輸出端可以得到一個(gè)0～3V的模擬電壓,作68HC11E1 單片機模擬輸入量進(jìn)行A/D轉換,最后將轉換結果在LED上顯示出來(lái)。

 

運算放大電路定量分析：我們采用負反饋模擬運算放大電路，是因為負反饋具有提高增益穩定性、展寬放大器通頻帶與減少非線(xiàn)性失真和噪音三大優(yōu)點(diǎn)，并且負反饋還有對相應的輸出量進(jìn)行自動(dòng)調節作用。

 

電源電路

 

電路組成：該穩壓電源由變壓電路、整流電路、濾波電路、和穩壓電路四大部分組成。如圖所示：

 

 

電路工作原理：該電路為交直轉換電源電路，首先，由變壓器將市電220V交流電變成9V的交流電，再經(jīng)單相橋式整流電路將交流電變?yōu)樗枰闹绷麟?，后再?jīng)濾波電路、7805穩壓器把不穩定的直流電壓變?yōu)榉€定的直流5V電壓輸出，供整個(gè)紅外測距模塊使用。

 

濾波電路

 

整流輸出的電壓是一個(gè)單方向脈動(dòng)電壓，雖然是直流，但脈動(dòng)較大，為了得到平滑的直流電壓波形，必須采用濾波電路，以改善輸出電壓的脈動(dòng)性，常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復式濾波等，此處采用電容濾波。

 

單相半波整流電容濾波電路如圖所示，由于電容兩端電壓不能突變，因而負載兩端的電壓也不會(huì )突變，使輸出電壓得以平滑，達到濾波目的。

 

 

通過(guò)整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩定的，當電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負載電流變化時(shí)，輸出電壓會(huì )隨之改變。電子設備一般都需要穩定的電源電壓。如果電源電壓不穩定會(huì )引起直流放大器的零點(diǎn)漂移、交流燥聲增大、測量?jì)x表的測量精度降低等。因此，必須進(jìn)行穩壓，目前，中小功率設備中廣泛采用的穩壓電源有并聯(lián)型穩壓電源、串聯(lián)型穩壓電源、集成穩壓電路及開(kāi)關(guān)型穩壓電路。

 

數碼管顯示電路

 

 

電路組成：LED動(dòng)態(tài)顯示電路如圖9所示，ASBUSA的數據輸出口PC0～PC7與74LS373的數據輸入口D0～D7連接，74LS373輸出的高四位Q4～Q7經(jīng) 74LS247譯碼與DS2相連，低四位Q0～Q3經(jīng)74LS247譯碼與DS1相連，兩個(gè)LED可顯示10～80的距離值。

 

電路工作原理: ASBUSA的數據輸出口PC0～PC7輸出距離的BCD碼，經(jīng)74LS373鎖存后，高四位Q4～Q7經(jīng)74LS247譯碼為相應的斷碼由七段碼顯示管顯示十位數，低四位Q0～Q3經(jīng)74LS247譯碼為相應的斷碼由七段碼顯示管顯示個(gè)位數，因此距離可由兩個(gè)LED顯示管顯示出來(lái)。

 

軟件模塊框圖

 

 

當單片機接收到紅外接收電路傳輸的電壓信號后，經(jīng)A/D轉換程序，將片外的模擬信號轉換為單片機可識別的數字信號，并經(jīng)電壓—距離轉換子程序，將變化的電壓轉換為距離。最后，在LED顯示器上顯示出來(lái)。

本文轉載自傳感器技術(shù)。

 

 

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