紅外感應(yīng)原理知識(shí)普及
紅外感應(yīng)原理基礎(chǔ)知識(shí)包括:紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)原理、去除環(huán)境光的干擾、解決感應(yīng)波動(dòng)問(wèn)題、增大感應(yīng)距離、提升抗干擾能力。本文主圍繞著紅外線發(fā)光二極管,光敏二極管展開(kāi)解說(shuō):
所謂的紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān),只是利用了人眼看不到的紅外線來(lái)感應(yīng)物體的,感應(yīng)開(kāi)關(guān)的核心元器件就是紅外反射傳感器了。紅外反射傳感器包括一個(gè)紅外線發(fā)光二極管和一個(gè)紅外線光敏二極管,它們兩個(gè)都朝著一個(gè)方向,被封裝在一個(gè)塑料外殼里。使用的時(shí)候,紅外線發(fā)光二極管點(diǎn)亮,發(fā)出一道人眼看不見(jiàn)的紅外光。如果傳感器的前方?jīng)]有物體,那么這道紅外光就以每秒299792458 米的速度(光速)消散在宇宙空間。但如果傳感器前方有不透明的物體時(shí),紅外光就會(huì)被反射回來(lái),照在自己也照在旁邊的紅外線光敏二極管身上。紅外線光敏二極管收到紅外光時(shí),其輸出引腳的電阻值就會(huì)產(chǎn)生變化。判斷紅外線光敏二極管的阻值變化,就可以感應(yīng)前方物體,控制電器開(kāi)關(guān)了。
下圖主要原理把紅外線發(fā)光二極管以某一頻率進(jìn)行調(diào)制,即讓它以一定的頻率閃爍。在紅外線光敏二極管一端則設(shè)計(jì)一個(gè)電路,讓接收端可以篩選出這一頻率的紅外光源。因?yàn)榄h(huán)境里的紅外光要么是沒(méi)有頻率的,要么就是有著自己固定的頻率。像收音機(jī)一樣,傳感器只要以自己的頻率發(fā)射,再以自己的頻率接收就可以過(guò)濾其他頻率光源的干擾了,而且由于接收管膠體也對(duì)可見(jiàn)光的波段光源進(jìn)行過(guò)濾,所以在室內(nèi)使用的情況下是沒(méi)有問(wèn)題的。
不過(guò),當(dāng)強(qiáng)光照進(jìn)室內(nèi),感應(yīng)開(kāi)關(guān)受強(qiáng)光的影響而處在不穩(wěn)定的狀態(tài),自行的開(kāi)關(guān),或是對(duì)反射物體沒(méi)有反應(yīng)。家里常用的電視機(jī)紅外線遙控器也會(huì)讓感應(yīng)開(kāi)關(guān)失靈。即使把它放在陰暗的角落也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)討厭的問(wèn)題,當(dāng)反射物體處在某一個(gè)臨界距離時(shí),感應(yīng)開(kāi)關(guān)就會(huì)不斷的開(kāi)關(guān),繼電器的吸合很快,好像一臺(tái)電報(bào)機(jī)。這是因?yàn)榉瓷湮矬w正好處在了感應(yīng)區(qū)的臨界點(diǎn)上,也就是“感應(yīng)到”和“感應(yīng)不到”的分界線上,物體微微靠近或離開(kāi)就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)狀態(tài)的改變。所以一般現(xiàn)都會(huì)通過(guò)單片機(jī)對(duì)光干擾進(jìn)行軟件上的處理,而且電路比用硬件來(lái)做簡(jiǎn)單得多。具體電路如下所示:
對(duì)于設(shè)計(jì)中存在的一些問(wèn)題:
1. 如何去除環(huán)境光的干擾?
與之前的硬件調(diào)制解調(diào)的方式不同,在使用ADC 功能之后,另一種解決方案會(huì)讓測(cè)試更有效率。那就是使用雙重檢測(cè)的方法,前提條件是單片機(jī)可以控制紅外發(fā)光二極管的開(kāi)關(guān)。首先大家要制作ADC 功能可以讀出接在ADC 接口上電壓的模擬量,數(shù)值從0 到255(十進(jìn)制)。紅外光敏二極管接收的紅外光線強(qiáng)時(shí),ADC讀出的數(shù)值就大,反之就小。我們要做的就是控制紅外發(fā)光二極管在發(fā)光時(shí)讀一次ADC的數(shù)值,然后再讓紅外發(fā)光二極管熄滅,再讀一次ADC 的數(shù)值。我們先假設(shè)沒(méi)有其他紅外光源的干擾,當(dāng)紅外發(fā)光二極管熄滅時(shí),紅外光敏二極管應(yīng)該檢測(cè)不到光源,ADC讀出的數(shù)值也應(yīng)該為0;當(dāng)紅外發(fā)光二極管點(diǎn)亮,且沒(méi)有反射物理時(shí),ADC讀出的值也應(yīng)該很小,接近于為0;當(dāng)有反射物理時(shí),紅外光敏二極管檢測(cè)到光源,ADC 讀出的數(shù)值會(huì)變大。如果存在其他光源的干擾,那么當(dāng)紅外發(fā)光二極管熄滅時(shí)也會(huì)讀到較大的數(shù)值,雙重檢測(cè)讀出的數(shù)值的差距越大,表示干擾光源越弱,反之則越強(qiáng)。我們通過(guò)這種雙重檢測(cè)就可以判斷接收到的紅外光是不是發(fā)射端發(fā)出來(lái)的了,兩次檢測(cè)的數(shù)值之差就是我們需要的最終數(shù)值。最終數(shù)值將參與下面的算法處理,也是我們判斷、處理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。單片機(jī)需要控制紅外發(fā)光二極管高速開(kāi)關(guān),以便更快的采集數(shù)據(jù)。
最終數(shù)值 = 紅外發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)rADC讀出的數(shù)值 - 紅外發(fā)光二極管熄滅時(shí)ADC讀出的數(shù)值
2. 如何解決臨界點(diǎn)的感應(yīng)波動(dòng)問(wèn)題?
微微向前一點(diǎn)就觸發(fā),微微向后一點(diǎn)就關(guān)斷,這是臨界點(diǎn)問(wèn)題的困擾。問(wèn)題的根源在于觸發(fā)的臨界點(diǎn)和
留出較大的活動(dòng)區(qū)域。如果是做自動(dòng)尋跡小車(chē)的傳感器,則可以用較小的活動(dòng)區(qū)域,甚至改用單臨界點(diǎn)
3. 如何增加感應(yīng)的成功率和可靠性?
“最終數(shù)值”處理和雙臨界點(diǎn)設(shè)計(jì)都可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,可以如果檢測(cè)出錯(cuò)、或者出現(xiàn)誤差,在多
次數(shù)據(jù)采集中出現(xiàn)幾次失敗和誤差是很正常的事情,但如果這些誤差左右了開(kāi)關(guān)的狀態(tài),給采集到的數(shù)據(jù)把關(guān)。一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤就放棄當(dāng)前的數(shù)據(jù),重新采集,這種設(shè)計(jì)就是一種冗余。所以設(shè)計(jì)了一段循環(huán)檢測(cè)語(yǔ)句,連續(xù)20 次檢測(cè)和判斷采集到的數(shù)據(jù),如果20 次中有1次誤差就馬上放棄當(dāng)前的所有數(shù)據(jù),重新檢測(cè)。連續(xù)20 次檢測(cè)已經(jīng)算是很穩(wěn)定的了,當(dāng)然你也可以為了更穩(wěn)定而改用連續(xù)50 次、100 次的檢測(cè),但是系統(tǒng)的反應(yīng)速度會(huì)慢,靈敏度下降。靈敏度和穩(wěn)定度之間的矛盾是剛性的,在實(shí)際測(cè)試中找到適合目標(biāo)系統(tǒng)的檢測(cè)次數(shù)就可以了。“最終數(shù)值”、雙臨界點(diǎn)和20 次連續(xù)檢測(cè)聽(tīng)上去好像是很復(fù)雜的事情,可是在程序里面卻是很簡(jiǎn)單的幾條語(yǔ)句。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)不在于程序的復(fù)雜性,而是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。下面列出一段關(guān)鍵程序部分與大家分享,這個(gè)簡(jiǎn)單的程序包含了以上講到的3種抗干擾設(shè)計(jì)。
RAM_H = Read_ADC; //讀出LED亮?xí)rADC端口的值
RAM_L = Read_ADC; //讀出LED 滅時(shí)ADC端口的值
RAM_H = RAM_H - RAM_L; //取2次檢測(cè)值之差,避開(kāi)環(huán)境光干擾
if(RAM_H > 0x06)
{ //開(kāi)啟時(shí)的距離(應(yīng)該小于關(guān)閉時(shí)的距離)
CON++; //計(jì)數(shù)加1
CON2 = 0;
if(CON > 20)
{ //連續(xù)20 次檢測(cè),以避開(kāi)干擾
CON = 0;
LED_Y = 0; //LED 指示燈點(diǎn)亮
}
}
if(RAM_H < 0x03)
{ //關(guān)閉時(shí)的距離
CON2++;
CON = 0;
if(CON2 > 20)
{
CON2 = 0;
LED_Y = 1; //LED 指示燈熄滅
}
}
“最終數(shù)值”、雙臨界點(diǎn)和20次連續(xù)檢測(cè)的程序部分
4. 如何增大感應(yīng)距離?
基于單片機(jī)的紅外傳感器的感應(yīng)距離和單片機(jī)的ADC 精度、雙臨界點(diǎn)數(shù)值、紅外發(fā)光二極管的功率、紅外光敏二極管的靈敏度和反射物理的反光效果有關(guān),一般的感應(yīng)距離不會(huì)超過(guò)20CM。不過(guò)對(duì)于開(kāi)關(guān)感應(yīng)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)已經(jīng)是足夠了。要想增加感應(yīng)距離可以改進(jìn)以下幾方面。不過(guò)更遠(yuǎn)的感應(yīng)距離反而會(huì)讓系統(tǒng)產(chǎn)生許多不確定因素,效果反而不佳。具體的一些設(shè)計(jì)要求如下:
1、 提高ADC精度,例如將8位ADC換成10 位或12 位ADC。
2、 將雙臨界點(diǎn)的數(shù)值設(shè)置得更小。
3、 用LED驅(qū)動(dòng)電路提高紅外發(fā)光二極管的功率(即提高亮度),或是多個(gè)紅外發(fā)射管來(lái)增加功率。
4、 為紅外光敏二極管一端加裝信號(hào)放大電路,或是增加透鏡來(lái)增加感光面積來(lái)提高靈敏度。
5、 盡量使用反光效果好的反射物體(如白紙、鏡面)
5. 如何進(jìn)一步提升搞干擾能力?
最后一個(gè)問(wèn)題是同頻環(huán)境光的干擾,所謂的同頻干擾,就是假設(shè)紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)的周?chē)么嬖谶@么一個(gè)紅外光源,它也按一定的頻率點(diǎn)亮和熄滅,而已這一頻率正好和紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)中紅外發(fā)光二極管的亮、滅頻率一致,且周期相同。這種巧合并不只是彩票頭獎(jiǎng)的幸運(yùn)觀眾才能遇見(jiàn)的,當(dāng)多個(gè)紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)在較近的距離內(nèi)同時(shí)使用,問(wèn)題就自然會(huì)出現(xiàn)。如果它們之間的距離不能改變,那就只有用跳頻的方法來(lái)解決了。跳頻技術(shù)在移動(dòng)電話和無(wú)繩電話機(jī)上已經(jīng)成為必備的功能,為了防止竊聽(tīng)或當(dāng)某一頻道被占用時(shí),電話機(jī)會(huì)自動(dòng)切換到別的頻道,讓通信更穩(wěn)定、可靠。對(duì)于紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō),跳頻并沒(méi)有那么復(fù)雜,只要在程序中不斷改變紅外發(fā)光二極管的亮、滅時(shí)間,用不同的頻率去檢測(cè),其他干擾光源也以相同頻率跳變的機(jī)會(huì)就少之又少了,再加上前面介紹的20 次連續(xù)檢測(cè)功能,再遇見(jiàn)干擾的可能性幾乎為0了。
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