深度解析紅外測距技術

文 | 傳感器技術（WW_CGQJS）

隨著科學技術的不斷發展，在測距領域也先後出現了雷射測距、微波雷達測距、超聲波測距及紅外線測距等方式。作為一種應用廣泛、測量精度高的測量方式，紅外測距利用紅外線傳播時不擴散、折射率小的特性，根據紅外線從發射模塊發出到被物體反射回來被接受模塊接受所需要的時間，採用相應的測距公式來實現對物體距離的測量。

 

紅外測距最早出現於上世紀60年代，是一種以紅外線作為傳輸介質的測量方法。紅外測距的研究有著非比尋常的意義，其本身具有其他測距方式沒有的特點，技術難度相對不大，系統構成成本較低、性能良好、使用方便、簡單，對各行各業均有著不可或缺的貢獻，因而其市場需求量更大，發展空間更廣。紅外測距儀是指用調製的紅外光進行精密的距離測量，測量範圍一般為1-5公裡。

 

紅外線測距傳感器有它的幾個特點，遠距離測量，在無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，可多個傳感器同步測量；測量範圍廣，響應時間短；外形設計緊湊，易於安裝，便於操作；所以它的應用價值比較高。

 

紅外測距的常用方法和原理

 

時間差法測距原理

 

時間差法測距原理是將紅外測距傳感器的紅外發射端發送信號與接收端接受信號的時間差t寫入單片機中，通過光傳播距離公式來計算出傳播距離L。

                            

式中c是光的傳播速度為 。

 

反射能量法測距原理

 

反射能量法是由發射控制電路控制發光元件發出信號（通常為紅外線）射向目標物體，經物體反射後傳回系統的接收端，通過光電轉換器接收的光能量大小進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線電波段的頻率，對紅外雷射束進行幅度調製並測定調製光往返一次所產生的相位延遲 ，再根據調製光的波長，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內，但要求被測目標必須能主動發出無線電波產生相應的相位值。

                            

式中c是光的傳播速度為，是調製信號的角頻率。

 

三角法測距原理

 

三角測量原理。紅外發射器按照一定的角度發射紅外光束，當遇到物體以後，光束會反射回來，如圖1所示。反射回來的紅外光線被CCD檢測器檢測到以後，會獲得一個偏移值L，利用三角關係，在知道了發射角度a，偏移距L，中心矩X，以及濾鏡的焦距f以後，傳感器到物體的距離D就可以通過幾何關係計算出來了。

 

 

紅外測距系統的工作原理

 

反射能量法因其結構簡單、體積小、成本低,可以廣泛應用於大批量生產的光機電綜合產品，本文後面重點介紹基於此類方法的對紅外測距系統。

 

反射能量法基本原理是紅外發射電路的紅外發光二極體發出紅外光，經障礙物反射後，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。根據發射光的強弱可以判斷物體的距離，由於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。

 

因為紅外線是介於可見光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可見光直線傳播、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等。紅外傳感器包括紅外發射器件和紅外接收器件。自然界的所有物體只要溫度高於絕對零度都會輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有更強的發射和接收能力。

 

紅外測距的基本結構及系統

 

紅外測距的過程

 

紅外測距的工作過程簡單來講就是瞄準目標，然後接通電源，啟動發射電路，通過發射系統，像目標發射紅外信號，同時，採樣器採樣發射信號，作為計數器開門的脈衝信號，啟動計數器，時鐘振蕩器像計數器有效的輸入計數脈衝，由目標反射回來的紅外線回波作用在光電探測器上，轉變為電脈衝信號，經過放大器放大，進入計數器，作為計數器的關門信號，計數器停止計數，計數器從開門到關門期間，所進入的時鐘脈衝個數，經過運算得到目標距離，測距公式為：

 

式中：L——待測距離；

     c——光速；

     t——光脈衝在待測距離上往返傳輸所需要的時間。

 

只要求出光脈衝在待測距離往返傳輸所需要的時間就可以通過上式求出目標距離。紅外脈衝的原理與結構比較簡單、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：紅外發射電路、紅外接收電路、放大電路、單片機電路、解碼顯示電路。其工作過程如圖：

系統工作時，由發射單元發出一束雷射，到達待測目標物後漫反射回來，經接收單元接收、放大整形後到距離計算單元計算完畢後顯示目標物距離。

 

紅外測距系統主要元件

 

紅外線發射器件

 

紅外線發射器件是最長用的為紅外發光二極體，它與普通發光二極體的結構原理以及製作工藝基本相同，是只有一個PN結的半導體器件，只是所有的材料不同，製造紅外發光二極體砷化鉀，砷鋁鉀等，其中應用最多的是砷化鉀。

 

紅外發光二極體一般採用環氧樹脂，玻璃，塑料等封裝，除白色透明材料封裝外，還可見到用藍色透明材料封裝的，。紅外發光二極體按發光功率的大小，可分為小功率，中功率，大功率三種。另外，紅外發光二極體除頂面發光型外，還有側面發光型。小功率管一般採用全塑封裝，也有部分是採用陶瓷底座，頂端用玻璃或環氧樹脂透鏡封裝的，中大功率管一般採用帶螺紋金屬底座，以便安裝散熱片。隨著發光功率得提高，相應體積的管子也增大。

 

紅外發光二極體的主要參數

 

正向工作電流

 

指紅外發光二極體長期工作時，允許通過的最大平均電流，因為電流通過PN結時，要消耗一定的功率而引起管子發熱，如管子長期超過I運行，會因過熱而燒毀，因此，使用的最大平均正向工作電流不得超過I。

 

光功率

 

指輸入到發光二極體的電功率轉化為光輸出功率的那一部分。光功率越大，發射距離越遠。

 

 

指紅外發光二極體所發出近紅外光中，光強最大值所對應的發光波長，在選用紅外接收管時，其受光峰值波長應儘量靠近。

 

 

指管子未被反向擊穿時反向電流的大小，希望它越小越好。

 

 

由於紅外發光二極體PN結電容的存在，影響了它的工作頻率。現在，紅外發光二極體的相應時間一般為最高工作頻率為幾十兆赫。

 

紅外線光敏二極體

 

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生變化。利用半導體的光電效應可以製成光電二極體，不同的半導體材料對不同波長的入射光的響應是不同的。

 

光敏二極體有頂面受光和側面受光兩種形式。它也是採用塑料、玻璃、環氧樹脂等材料封裝。

 

光敏二極體的主要參數

 

光電流IL

 

指在一定反向電壓下，入射光強為某一定值時流過管子的電流。光敏二極體的光電流一般為幾十μA，並與入射光強成正比。

 

暗電流ID

 

指在一定反向電壓下，無光照時流過管子的電流。一般在50V反壓下，ID小於0.1μA。

 

反向工作電壓UR

 

是指在無光照時，光敏二極體反向電流小於0.2μA-0.3μA時，允許的最高反向工作電壓，一般在10V左右，最高可達幾十伏。

 

紅外測距硬體電路

 

單片機最小系統

 

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

 

 

控制板ASBUS總線

 

簡單類似於ISA和PCI總線。採用堆疊式的ASBUS擴展卡可以方便擴展控制板的功能。總線通常包含了幾十條分立的線，每一條被賦予一個特定的含義或功能。

 

總線可以分成三個功能組：

 

數據線：數據線提供系統模塊間傳送數據的路徑。這些線結合在一起稱為數據總線。線的數目稱為數據總線的寬度。

 

地址線：地址線用於指定數據線上數據的來源和去向。地址線的寬度決定了系統能夠使用的最大的存儲器容量。

 

控制線：控制線用來控制對數據地址線的訪問和使用。由於數據線和地址，所有模塊共享，因此必須用一種方法來控制他們的使用。

 

紅外發射電路

 

電路組成：紅外發射驅動電路是由一個簡單的共射放大電路和一個作為開關的三極體電路組成的模塊。電路原理如圖：

 

電路工作原理：在共射放大電路中，紅外發光二極體TLN205接於共射放大電路的集電極，與基極和發射極相接的二極體起溫度補償作用。控制管腳Vin與68HC11E1晶片管腳Vcc相接。當控制管腳Vin有信號輸入時，控制電路的三極體導通,同時整個電路導通,紅外發光二極體TLN205發射出紅外光。

 

紅外接收放大電路

 

電路組成:紅外接收驅動電路是由紅外接收管TPS708和兩個電壓串聯負反饋模擬運算放大電路組成的模塊. 紅外接收驅動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負載，僅用一級電路放大定是做不到的，必須經多級放大，以滿足放大倍數和其他性能方面的要求。

 

電路工作原理:紅外發光管TLN205發射出的紅外光,在遇到前面的障礙物反射後,由紅外接收管TPS708接收,此時TPS708會產生一個與光強相對應的電流。電流經由LM358 兩級放大後,在輸出端可以得到一個0～3V的模擬電壓,作68HC11E1 單片機模擬輸入量進行A/D轉換,最後將轉換結果在LED上顯示出來。

 

運算放大電路定量分析：我們採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性失真和噪音三大優點，並且負反饋還有對相應的輸出量進行自動調節作用。

 

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，再經單相橋式整流電路將交流電變為所需要的直流電，後再經濾波電路、7805穩壓器把不穩定的直流電壓變為穩定的直流5V電壓輸出，供整個紅外測距模塊使用。

 

濾波電路

 

整流輸出的電壓是一個單方向脈動電壓，雖然是直流，但脈動較大，為了得到平滑的直流電壓波形，必須採用濾波電路，以改善輸出電壓的脈動性，常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、複式濾波等，此處採用電容濾波。

 

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

 

 

通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩定的，當電網電壓波動或負載電流變化時，輸出電壓會隨之改變。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引起直流放大器的零點漂移、交流燥聲增大、測量儀表的測量精度降低等。因此，必須進行穩壓，目前，中小功率設備中廣泛採用的穩壓電源有並聯型穩壓電源、串聯型穩壓電源、集成穩壓電路及開關型穩壓電路。

 

數碼管顯示電路

 

 

電路組成：LED動態顯示電路如圖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 74LS247解碼與DS2相連，低四位Q0～Q3經74LS247解碼與DS1相連，兩個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74LS373鎖存後，高四位Q4～Q7經74LS247解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74LS247解碼為相應的斷碼由七段碼顯示管顯示個位數，因此距離可由兩個LED顯示管顯示出來。

 

軟體模塊框圖

 

 

當單片機接收到紅外接收電路傳輸的電壓信號後，經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位訊號，並經電壓—距離轉換子程序，將變化的電壓轉換為距離。最後，在LED顯示器上顯示出來。 

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