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1、光电传感器一、反射式光电传感器简介反射式光电传感器在机器人中有着广泛的应用。可以用来检测地面明暗和颜色的变化，也可以探测有无接近的物体。这种光电传感器的基本原理是，自带一个光源和一个光接收装置，光源发出的光经过待测物体的反射被光敏元件接收，再经过相关电路的处理得到所需要的信息。相应的，光谱范围，灵敏度，抗干扰能力，输出特性等都是反射式光电传感器的重要参数。二、简单比较型光电传感器在上左图中，JP1 是光电管，接收光强在上面转换成电流，在 R 上成为电压信号，与 RA1 的标准值进行比较，从 LM339 输出逻辑电平给单片机。R 越大，光电流产生的电压变化越大，传感器也就越灵敏。但是若 R 过大
2、，当光比较强的时候，R上的电压会达到 VCC 而不再变化，这就是所谓的饱和。在这种比较型的传感器电路中，饱和只会使强光与强光难以分辨，但仍可以区分强光和弱光，它并不是影响比较结果的重要因素。但在后面介绍的几种调制型传感器中，饱和是必须避免的，因为它会掩盖交流分量。高灵敏度和饱和是一对矛盾，在后面提到了一些相关的解决方案。LM339 是开路输出的，10K 的电阻是为了使输出电压正确。如果后面是 51 之类开路输入的单片机，这个电阻可以省略。假如把光敏管放在下边,电阻放在上边。这样当光线较暗时比较器输入电压接近 VCC，超过比较器LM339 能够正常工作的最高输入电压 Vm,比较器不能正常工作（L
3、M339 的共模输入电压最低能低到 0，但是最高达不到 VCC） ，因此灵敏度做不高。为了使比较器正常工作，电阻值应使得光照时比较器输入电压Vi 大幅下降，满足 VCC-I*RVCC-Vm。这样，光再强一点，I*R 接近VCC,Vi 就会降到 0 附近，光敏管就会饱和，降低了区分颜色的可靠性。而现在把光敏管放在上边,电阻放在下边，就可以解决这个问题：这时 Vi=I*R,使用较小的 R 可以保证 Vi0),再与另一个设定值(驱动 =LED收端: 光电管=( 放大)=高通=过门限检测=2051关键的问题是怎样判断是否有反射。比如向发光管发送一串 8bit 的随机数，从接收管读出，如果相符，说明有反
4、射；如果无关（具体判断的算法有待设计）说明无反射；如果部分相关，则保持原状。具体算法的实现可能要设计一个较为简单快速的判断相关度的程序。七 使用 ADC 的传感器电路这种方案就是让发光管亮灭交替,用 ADC（模数转换器）分别检测亮暗时光电流的值,然后送到单片机进行相减，再根据某些标准进行判断。这样，就抵消了环境噪声，消除了干扰。光电管的饱和问题仍旧是这个电路的问题，并且，当干扰频率接近发光管调制频率时会产生差拍或出错。下图是一个利用 ADC 做的 RGB 三分量颜色传感器电路：89C2051 作为主控，控制红绿蓝三个发光管依次点亮，一个周期分别是红，绿，蓝，全灭。在每次改变之前，对光电管进行
5、ADC 采样，读取相关颜色的分量，分别是红，绿，蓝，暗分量，然后用三原色分量分别减去暗分量，这样就消除了环境光的干扰。最后通过相应的算法，判断出反光物的颜色。八 模拟差动放大型传感器电路（方案）脉冲源 发光管 光电管 二选一模拟多路开关保持保持差放比较 基准输出类似于使用 ADC 的方案，该方案也是对亮暗分别采样。但不同的是，该方案采用了采样保持和模拟相减。运放作为差动放大，有良好的共模抑制，不会像 ADC 那样为减小饱和，照顾大的共模信号而扩大量程降低精度。因此该方案可以兼顾饱和现象和灵敏度，解决了这一矛盾。对于较快的采样，可以简单的使用高输入阻抗的运放本身加一个小电容进行保持。缺点是仍不能
6、抑制高频干扰。九 使用 D 触发器进行边沿检测的传感器电路也是让发光管亮暗交替,但亮的时间很短,电流很大,亮度很高,把接收端门限调的很高,然后用 D 触发器进行边沿检测。这样可以屏蔽外界一般强度光（可以是高频的）的干扰，而耗电不会增加。但如果使用简单的比较型电路，加大电流就会增大功耗，甚至烧毁发光管。十 下图是一个成品光电开关,就是光电管=两级交流放大=CD4013 检测 这种方式的,CD4013 的另一个单元 D 触发器作方波振荡源,通过驱动电路带动 LED。可以看出，LED 的限流电阻是 20 欧，短时间通过 LED 的电流很大。传感器的输出接口问题TTL 电压工作的推挽输出传感器接 5V
7、 电源的单片机TTL 电压工作的传感器可以直接输出到单片机，但为了避免不慎从单片机该端口输出低电平，可以在传感器和单片机之间接一个 1K 左右的电阻。开路输出的传感器接 51 单片机如果完全开路输出，可以直接接到单片机上，如果使用 P0 口应该加上拉电阻；如果传感器内置上拉电阻而且高电平时高于 5V，可以从单片机到传感器端口接一个肖特基二极管，防止高压灌入单片机。上面图中的成品传感器就是这种接口的。非 TTL 电压推挽输出的传感器接 51 单片机这种接口的基本做法就是串入电阻进行限流防止输出冲突；单片机端用稳压二极管进行限压防止输入过压。这 3 种情况如下图所示：反射式光电传感器探头的制作1.
8、发光二极管（LED）的介绍做传感器的 LED 要求亮度高，颜色合适，光斑形状合适。为了防止 LED 损坏,应该注意:1.LED 的伏安特性曲线很陡,测试和使用时一定要串联电阻限制电流. 2.氮化镓材料的高亮度 LED 容易被反向电压,静电或电源尖峰击穿损坏,电源电压较高时不可反接.不同的管子允许的工作电流不同。红外的平均电流最大可以用到 100 毫安，用作调制时几十微秒的窄脉冲峰值甚至可以接近 1 安。3 毫米的白色高亮度管子持续最大电流 20 毫安，一般低亮度的管子要小一些。工作电流的限制一是发热限制平均电流，二是高电流下亮度饱和限制峰值电流。有些管子电流大了之后还会变色。常用的 LED 有
9、红外，红，橙，黄，黄绿，纯绿，蓝，紫，紫外，白等颜色。作为成品销售的“变色LED”是在一个管壳（通常是乳白色的，用于使光线混合均匀）里封装了多个不同颜色的 LED，红，绿，蓝三色的 LED 非常适合作颜色传感器的照明。红外线 LED 配合红外接收管抗干扰能力强，但是不适合用于识别颜色，因为物体在可见光下的颜色不能很好的代表它对于红外线的反射率。验钞用的管子发光含有紫色光和紫外线，点亮时不要正对着眼睛长时间观看。更适合做传感器。 （颜色识别时，乳白色管壳比无色透明管壳还要好。 ）管壳有色的管子适合管壳无色透明的管子透光性能好一些，散射小，做指示灯。直径 5 毫米的管子品种较多，亮度较高，发出的光
10、束比直径 3 毫米的管子要集中（顶角小） ，照在物体上光斑小，更适合用来识别白线。LED 的伏安特性曲线很陡,可以作稳压用,给电路提供基准电压.红色的大约 1.8V,蓝色的可以超过 3V。各种 LED 的材料，颜色与亮度：LED 发光的原理是半导体 PN 结中的电子与空穴复合时产生光子。不同的材料由于能带宽度不同,导致发光颜色和导通电压不同。另外，不同材料的发光效率（一般以量子效率衡量，量子效率=发射的光子数/流过的电子数）也有极大的差别。材料 发光颜色 量子效率(与工艺有关，这里是典型值)砷化镓 GaAs 红外 高，30%磷砷化镓 GaAsP 红 中，10% （购买时称为普通）橙，黄 随含磷
11、量增加，波长变短，效率递减磷化镓掺杂氮 GaP:N 黄绿 低，不到 1%（购买时称为普通）磷化镓掺杂氧化锌 GaP:ZnO 红到黄 中低（购买时称为普通）铝砷化镓 AlGaAs 鲜红 中高（购买时称为高亮度）铝镓铟磷 AlGaInP 橙红 高，30% （购买时称为超高亮度）氮化镓 GaN (含 In) 从纯绿到紫外 高，20% （购买时称为高或超高亮度）GaN，管芯外涂荧光粉 紫+黄=白 高（购买时称为高或超高亮度） 。2.接收管的介绍。常用的接收管有硅光电二极管，硅光电三极管，光敏电阻三种。光电二极管产生的电流小（微安级） ，需要高倍放大，但是速度很高，可以高频调制。在遮光状态下的特性类似普
12、通二极管。使用时加反向电压，输出与光照强度近似成正比的光电流。光电三极管一般基极不引出，只有两根管脚，购买的时候叫做光敏管。光电三极管产生的电流较大（几百微安以上） ，无需前置高倍放大，但是速度较低，调制频率低于100KHz。遮光状态下正反向电阻都很大，用强光（比如台灯）照射，可以测出一个方向的电阻明显变小，这个方向是正向。使用时加正向电压1V，输出与光照强度近似成正比的光电流。这些光电接收管的外壳有无色透明和黑色两种，黑色管壳几乎只透过红外光，与红外发光管配套使用。光敏电阻的电特性是电阻而不是恒流，受到光照后电阻值大幅度减小，输出电流也较大，数量级类似光电三极管。工作频率一般较低，但也有高的
13、。在使用上最重要的区别在于光敏电阻接受光照的是一个平面，没有管壳聚光，方向性差。一般用在不区分光照方向或者要降低成本的电路里。接收管的光谱特性：光电二极管，光电三极管都是半导体 PN 结光电元件，靠内光电效应接收光线，因此入射光子能量超过材料能带宽度才能被接收，表现在它的光谱-灵敏度特性在长波方向有一个陡的截止。在短波方向如果波长太短，灵敏度也会下降。一般的硅管最适合用在红外到红黄光范围内，但是可以一直用到近紫外。另类的应用：用发光二极管当光电二极管，它的材料能带较宽，只接收短波的可见光。理论上可以用于识别颜色。某些光敏电阻对于可见光中间部分的灵敏度较高。加装滤色片（可以用玻璃纸）可以方便的改
14、变管子的光谱特性以制造各种颜色传感器。3传感器探头的实际制作1）识别白线：可以用白色管子。如果背景是绿色，红光比较好用，红外也行。但是背景有红绿蓝各种颜色特别是红色时，红光的区分度就不大了。比如 Robocon 比赛的红色或者蓝色的出发区。这次我们校队就因为没有注意这个问题而吃了大亏。在这种情况下可以用蓝色，红色或紫色（验钞用，含紫外线）的管子。几何形状是发射管和接收管一个直立一个倾斜，指向同一个位置以消除镜面反射光。这些管子可以焊在一小块电路板上,在前端套上热缩套管减小光线发散,这样做成探头,但是这样既不坚固准确又不抗干扰,最麻烦的是多个探头作成阵列使用时性能不一致。较好的做法是在一个铝块或
15、木块上打孔后把管子插在里面，周围围上黑胶布遮光。探头的光斑要小，这样识别白线才准确。相邻的探头距离要合适。探头的布置是出于控制方便的考虑，一般是中间放一排探头跟踪白线，两边各一个数横线。中间的这一排探头要放在驱动轮前面，距离尽量的远，数量尽量的多。因为车身偏离白线的时候是先有角度偏差再累积（积分）为横向偏差，两个相加后构成探头与白线的偏差。探头越靠前，角度偏差占的比例越大，反馈的相位滞后越小，环路越容易稳定，振荡小。相反的，探头靠后了就会振荡的比较大甚至发散。探头在最前面，驱动轮在最后面，用 2 个探头就能用了。考虑到转弯时可能产生比较大的横向偏差，最好放 3 个。我们今年在比赛失败的直接原因
16、就是清障的小机器人跟踪白线的探头只有两个，而且有两个万向轮，驱动轮打滑严重。在自己搭的场地上从来没出问题，但是一到北京就出问题不可收拾，结果障碍物无法清除，把冲顶机器人挡住了。探头靠后了就要多放几个.如果放在两个驱动轮之间就要放一长排,用 PID 算法.为了避免镜面反射，如果使用平行的发光管和接收管，在指向待测点的前提下，应不要垂直于待测表面，应该有个倾角。另外，探头的安装离待测点的距离要根据电路灵敏度和信噪比来定，非调制的传感器探头要注意遮光。2）识别各种颜色：如果要识别各种颜色，可以用带不同滤色片的接收管，或者几个不同颜色的发射管轮流点亮（包括全部熄灭的状态）用一个接收管接收，再作 A/D 转换后由单片机处理。几个管子必须是识别同一个地方的颜色，并且相对距离不能变动。否则会把黑白认成彩色。3）接近开关：识别有物体靠近，可以用红外对管+调制，或者直接购买成品。
