紅外避障系統的設計

楊 黎，余 勝

(湖南人文科技學院物理與信息工程系，湖南婁底417000)

機器人在行進過程中遇到障礙物時，首先能夠檢測到障礙物，同時需要對障礙物是否妨礙行動進行進一步判斷，最后達到避開障礙物的目的。而機器人的視覺傳感器就具有識別障礙物的功能，同時它也作為自動行走和駕駛的重要部件。它的典型應用領域是自主式智能導航系統，但其需要通過大量的運算，且只能識別一些結構化環境簡單的目標[1]。因此，設計一個簡單實用，且能夠快速識別障礙物的避障系統是非常有必要和有現實意義的。

本設計最重要的特點是紅外發射部分不設專門的發射電路，而是直接從接收部分檢測。既簡化了線路與調試工作，又防止了周圍環境和元件參數變化對收發頻率造成的差異，使電路的穩定性和抗干擾能力大大加強。

一 基本參數研究和方式

(一)紅外光檢測方式

紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，波長在770nm至1mm之間，是波長比紅光長的非可見光。本設計通過紅外發光二極管發射一束調制在特定頻率上的紅外光線，在遇到障礙物的時候反射回來，同時被紅外接收二極管捕捉到，再送到特定的電路進行相應處理。

(二)中心頻率

中心頻率就是濾波器通頻帶中間的頻率，以中心頻率為準，高于中心頻率一直到頻率電壓衰減到0．707倍時為上邊頻，相反為下邊頻，上邊頻和下邊頻之間為通頻帶。

本設計的中心頻率可以手動自由調節，因此可以實現多個紅外傳感器的共同工作，而彼此互不干擾，達到多點檢測，以便更好的掌握周圍環境，為避障提供準確的信息。

二 主要器件分析

(一)紅外反射式傳感器

1．傳感器比較

能實現視覺功能的傳感器主要有以下幾種[2]:

(1)利用CCD攝像頭進行圖像采集和識別，但不適用小體積系統的使用，并且涉及圖像采集與識別等領域。

(2)電容式接近傳感器，基于檢測對象表面靠近傳感元件時的電容變化。

(3)超聲波傳感器，通過發射一束超聲波，在遇到障礙物時反射回來后，根據超聲波的速度與時間差來計算與障礙物的距離。

(4)紅外反射式光電傳感器，它包括有固態發光二極管與的固態光敏二極管或光敏三極管。

根據情況，紅外反射式傳感器與精確的測距系統不同，它只要感知物體的有無以及接近的程度，并且判斷出簡單的閾值及提供遠近分檔的距離。因此，使用較簡單的接近傳感器來實現避障功能是可行的。

2．特性及工作原理

反射式光電傳感器的光源有多種，包括紅外發光二極管，普通發光二極管，激光二極管等。前兩種易受到外界光源的干擾，而第三種光的頻率相對比較集中，只接收很窄的頻率范圍信號，抗干擾能力強但造價比較高。

在理想的情況下，光電傳感器需要處于發射的紅外線經障礙物發射回來能被接收二極管接收到的區域，才能檢測到周圍的物體。同時，光的檢測受到來自顏色，形狀，光潔度及日光等不同因素的反射面的影響。因此，用發射與接收二極管，將受到外界干擾，不利于測量結果，但利用反射光強的測量方法可以提高測量的準確性和可靠性[3]。它的原理是紅外發射管發射經過調制的信號，然后由紅外接收管接收。X表示紅外傳感器與被測障礙物之間的距離，如圖1所示。

圖1 紅外發射與接收原理

(二)LM567鎖相環解碼器

LM567是美國國家半導體公司產品，同類產品還有美國西格萊蒂克斯公司的NE567，新日本無線電公司的NJM567等。這種解碼器具有高噪聲抑制，窄通頻帶，不受假信號干擾，穩定的中心頻率和通帶中心頻率可調等特點。因此在音頻亞音頻單音頻解碼中得到廣泛應用[4]。

1．內部結構

LM567內部包含了兩個鑒相器、放大器、電壓控制振蕩器 VCO等單元，它的引腳圖如圖2[5]。LM567的管腳功能是:1腳為輸出濾波，2腳為回路濾波，3腳為輸入端，4腳為正電源端(電壓值需最小為4．75V，最大為9V)，5腳為定時電阻端，6腳為定時電容端，7腳為接地端，8腳為輸出端。

圖2 LM567引腳圖

鎖相環內包含電流控制振蕩器(CC0)、反饋濾波器和鑒相器。解碼塊由鎖相環和晶體管組成，若在輸入端加入一特定的音頻時，則可以輸出一個方波信號。處于通帶內的輸入信號可以提供一個類似飽和晶體管的對地開關，由I和Q檢波器組成其電路，其譯碼器的中心頻率通過內部電壓控制振蕩器驅動的振蕩器決定，中心頻率的輸出和帶寬延遲由外接的獨立元件設定。

2．工作原理

當音頻譯碼器LM567工作時，鎖相環內部電流控制振蕩器產生一定頻率和相位的振蕩信號，此振蕩信號與3腳的輸入信號，通過內部的正交相位探測器相比較。如果輸入信號的頻率在設定的通頻帶范圍內，則輸入信號被鎖相環鎖定。此時，芯片的內部晶體管導通，輸出一個低電平信號。

LM567通過5腳輸出的矩形信號和2腳輸出的鋸齒波脈沖，都與內部的振蕩信號的頻率一致。鎖相環相位檢測器輸出的經過F/V變換的電壓信號，通過2腳輸出。5腳受2腳輸入的音頻信號的影響，輸出一個經調制的方波信號，作為振蕩信號。

四 系統設計

(一)總體設計框圖

本方案主要由紅外發射與接收電路，信號放大處理電路，及單片機外圍電路，包括晶振電路、復位電路和報警電路的設計。由紅外發射電路產生一個調制在38K頻率載波上的紅外信號，經障礙物反射回來后，被紅外接收電路接收，并經過信號放大處理，產生數字信號，送給單片機處理，由單片機產生控制信號驅動報警器。原理框圖如圖3所示。

圖3 系統原理框圖

(二)紅外發射與接收電路

圖4 紅外發射與接收電路圖

如圖4所示，D1發射紅外線，D2接收紅外信號。LM567第⑤、⑥腳為譯碼中心頻率設定端，一般通過調整其外接可變電阻W改變捕捉的中心頻率。圖中紅外載波信號來自LM567的第5腳，即載波信號與捕捉中心頻率一致，能夠極大的提高抗干擾特性。當接收到的紅外載波信號和捕捉中心頻率一致時，說明不是干擾，LM567的第⑧腳輸出低電平。LM567⑤、⑥所接的RW和電容決定了內部壓控振蕩器的中心頻率f，f=1/(1．1RC)。第⑤腳產生的方波振蕩信號經T1放大后驅動紅外發光二極管D1發射紅外脈沖，紅外脈沖照射到D2后，使兩端產生一個同頻的電壓脈沖。該脈沖通過C2被送到運放741的②腳，經放大后從⑥腳輸出，使之形成于中心頻率波形相同的方波，經C3輸入到LM567第⑧腳。由于振蕩和鎖相接收為同一振動源，發射頻率與中心頻率相同，且當第③腳輸入幅度大于25mv，頻率在其帶寬內的信號時，第⑧腳輸出低電平，同時使D3發光。

本電路的最大持點是紅外線發射部分不設專門的信號發生電路，而是直接從接收部分的檢測電路U2的5腳引入信號，此信號是鎖相音頻譯碼器的鎖相中心頻率，這樣既簡化了線路和調試工作，又防止了周圍環境變化和元件參數變化對收發頻率造成的差異，實現了紅外線發射與接收工作頻率的同步自動跟蹤，使電路的穩定性和抗干擾能力大大加強。

本電路可多個用于同一設備而不會相互干擾，因為不同RW或C4的值U2譯碼器的中心頻率不同，但中心頻率不能大于500KHz。調整VR可改變探測距離，注意探測距離要受反射面顏色的影響，這是紅外線的特性決定，尋跡機器人用了此特性。

(三)軟件設計

首先對單片機進行初始化，然后設置定時器T0初始值，啟動定時器。由于紅外發射與接收電路是獨立于單片機的，它不需要單片機給予驅動信號，只需在檢測到障礙物時，給單片機提供一個低電平信號即可。在單片機運行時，利用定時器每隔一段時間就去定時檢測輸入進來的信號。當檢測到低電平時，驅動蜂鳴器以及其他的報警裝置，也可驅動機器人的電機等。

主程序開始設置定時器0，首先設置定時初值。因為是每隔500ms進行一次中斷，故可以先設置 TH0和 TL0為 50 000，然后再定義一個變量[6]。

設置完初值后，需對工作方式控制寄存器TMOD進行設置。令TMOD=0x01，則讓定時器0工作在工作方式1，即16位的定時器。然后開總中斷即EA=1，開定時器0中斷即ET0=1，最后令TR0=1啟動定時器。這樣經過這些設置，定時器0 就開始工作了[7]。

由于單片機的晶振是12MHz，那么一個機器周期就是1us。單片機每隔一個機器周期就進行自加一次，根據設置的初值，當正好記滿50 000個機器周期時，即50ms時進行一次中斷。然后通過變量值，每隔一次中斷進行一次自加。當加到10時就對輸入信號進行檢測，同時對變量進行清零，準備下一次檢測。對于檢測到的低電平進行判斷，確定為低電平時驅動蜂鳴器報警。

五 實驗及結果分析

(一)仿真實現

本仿真實驗采用Proteus仿真軟件來實現，由于Proteus仿真軟件中沒有LM567這款芯片，故軟件仿真主要針對信號放大這塊，如圖5所示。

圖5 放大電路仿真圖

用1kHz時鐘信號代替LM567來驅動光耦器件，光耦器件將光信號轉為電信號后經過運放741的放大，將輸出的信號與輸入信號的頻率進行比較。通過示波器觀察兩者的頻率大小，如圖6所示。從示波器上可以看到，在輸入信號為1kHz的方波信號時，通過放大的信號為窄脈沖信號，且兩者的頻率相同。

圖6 仿真1

由于 LM567的頻率有一個從100Hz到500KHz的頻率變化范圍，故在仿真中通過改變時鐘信號的頻率來觀察741輸出的波形變化。如當輸入信號頻率為10kHz時，輸出的信號如圖7所示。通過調節示波器，可以清楚的看到輸入與輸出波形的頻率比較。當加大輸入信號的頻率時，會發現其輸出信號的幅度出現了一定的失真，但其頻率會保持不變。

圖7 仿真2

(二)硬件電路

硬件仿真主要對紅外發射與接收電路模塊進行測試，通過改變特定的參數來研究對整個電路性能的影響。在整個的測試中考慮的因素有紅外對管的夾角值大小，改變紅外發射強度的VR電阻值和用來改變中心頻率的RW電阻值。另外，還要考慮不同顏色的物體對紅外光的反射強度大小的影響。

硬件電路圖如圖8所示，透明二極管為紅外發光二極管，黑色為紅外接收二極管，在紅外對管前面有一個障礙物。當紅外對管慢慢靠近障礙物時，紅色發光二極管被點亮。其原理是紅外發光二極管發射的紅外光，遇到障礙物反射回來后，被紅外接收二極管接收，經過741運放將信號放大。被放大的信號又送回LM567與內部的中心頻率進行比較，當頻率相同時輸出低電平，同時點亮二極管。這樣基本的避障功能在不需要借用單片機的資源的情況下就可以實現了。

圖8 硬件電路

此外，電路還有一些基本問題需要探討。首先是紅外對管的夾角，當兩管夾角θ=00時，基本檢測不到反射回的紅外光。當00＜θ＜1800時，根據理論知識，隨著夾角的增大，更加容易檢測到障礙物反射回的紅外光。當θ=1800時，只要中間沒有障礙物基本可以檢測到紅外光。實際的效果也如理論推導的一樣，符合反射原理。

但是，隨著夾角的增大，兩管的相交距離也越來越短，即檢測到障礙物的距離變短。夾角小時，可以檢測到更遠的障礙物，但是反射回的紅外光強度變弱，不易被紅外接收管檢測到。夾角大時，反射回的紅外光強度增強，但檢測的距離變小，容易縮短機器的反應時間，以至于不能及時的躲避障礙物。因此，選擇合適的夾角距離是比較重要的一步。夾角小時，反射回的紅外光減弱，可以通過VR電阻值來改變。隨著VR的減小，電流增大，發射管的電壓增大，發射的紅外光強度增強，則更容易檢測到障礙物反射回的紅外光。每當改變VR電阻值時，就會發現紅外光感知的距離會發生一些變化。由于時間的原因再加上實驗條件的約束，沒有對此做進一步探討。

總結

本設計利用紅外發射與接收二極管實現對障礙物的信息的采集，發光二極管發射的紅外線遇到障礙物反射回來后，被紅外接收二極管檢測到。并利用運放對采集到的信息進行放大，此微弱的信號經過741運放的放大后，送到LM567音頻解碼器進行處理。LM567在此設計中即擔任振蕩器，又作選頻接收，將被放大的信號與內部振蕩器頻率進行比較，頻率相同則輸出一個低電平信號，這樣就實現了對障礙物的檢測。

利用LM567作為頻率比較，能夠提高系統的抗干擾能力，且周圍電路簡單易于實現。在需要多個傳感器的時候可以通過改變其旁接的電容值，其操作簡單。這樣單片機就只需要檢測各個傳感器其輸出的是否為低電平信號，降低了占有單片機資源的比例，讓單片機去執行更加重要的任務。

[1]雷鵬飛，沈華東，高坎貸，等．紅外傳感器在智能車避障系統的應用[J]．電腦與信息技術，2010，18(4):5-6．

[2]吳建平，殷戰國，曹思榕，等．反射式傳感器在自主尋跡小車導航中的應用[J]．中國測試技術，2004，30(6):22-23．

[3]陳杰，黃鴻．傳感器與檢測技術[M]．北京:高等教育出版社，2002:132．

[4]孟敬俠．鎖相環解碼器LM567及應用[J]．中國學術雜志，2010(4):38-39．

[5]雷建龍．LM567及其在超聲波檢測中的應用[J]．電子技術，2004(4):56-57．

[6]彭偉．單片機C語言程序設計實訓100例[M]．北京:電子工業出版社，2009:57．

[7]Stephen G Kochan．Programming in ANSI C[M]．Hagden Books Indianapolis:Indiana，U．S．A，1994．