幾種光電檢測電路的性能比較

王大偉 周強

【摘要】介紹和分析了幾種實際的光電檢測電路，并對難點問題的多種方案進行了研究和比較。

【關鍵詞】光電檢測電路；抗干擾；微分電路；測量

1引言

在過去的全國電子設計大賽上經常出現自動小車的題目，這其中的難點就是非接觸目標的檢測和識別上。有一年的題目要求小汽車能夠檢測跑道中的黑線和跑道左右兩側的擋板，如圖1所示。而有一年的競賽題目難度加大，要求小車沿著黑色跑道前進，并且在光源的引導下繞開障礙物進入停車區，如圖2所示。將競賽中涉及到的非接觸式測量歸結為三類：檢測黑線、尋找光源、識別障礙物或擋板。對于這三類問題，使用光電器件、配以相應的調理電路和合理的信號處理手段，都能取得滿意的檢測效果。

圖1 小車檢測黑線和擋板

圖2 小車繞開障礙物沿跑道前進

2 黑線檢測電路

圖3是一個以光電元件ST168為核心的黑線檢測電路。其工作原理是這樣：在正常工作情況下，ST168的發射端發出恒定的不可見光（紅外線），當紅外線被白紙或黑線反射給ST168的接收端（光敏電阻）時，由于白紙和黑線反射光線的強度不同，會引起光敏電阻的阻值變化。一般情況下，當反射物由白紙變為黑線，光敏電阻的阻值會從幾十KΩ變為幾百KΩ，A點的電壓下降，使PNP型三極管導通，電路輸出端B點電壓改變（由邏輯1變為邏輯0），送入單片機中進行進一步處理。

圖3 黑線檢測電路

值得一提的是，大多數自動小車的核心器件采用的是51系列的單片機，如AT89C51。而在對單片機進行端口資源分配時應注意：由于AT89C51的4個并行I/O口中，只有P0是一個標準雙向三態口，其輸出驅動電路是由2個場效應管串聯而成，等效輸入電阻大于5MΩ，一般不會對外接電路產生太大的影響。因此盡量保留P0作為檢測電路的輸入口來使用。而P1，P2，P3只是準雙向I/O口，他們的輸出驅動電路被簡化為一個等效電阻與一個場效應管的串聯電路，等效輸入電阻僅30 kΩ，不可避免的會改變外電路的工作點，特別是對于一些新型的光電器件，如光電阻或光電池，內阻較大（前者的內阻隨著照射光的強弱在幾十到幾百kΩ之間變化，后者的內阻可以達到1MΩ以上）。因此這些元件所組成的電路在P0以外的接口上根本無法正常使用。

3 光源檢測電路

光源檢測電路非常簡單，在小車的前端每隔30°設置一個外套細遮光管的光敏電阻，用以接收和檢測特定方向上的光源。該電路如圖4所示。

圖4 光源檢測電路

4 障礙物識別電路

障礙物或擋板的檢測和判斷始終是自動小車的設計難點。一些參賽隊嘗試使用聲納技術。利用聲音的傳播速度較慢和單片機的高速運算和處理能力，能夠比較精確測量出小車與障礙物或擋板的實際距離。但是這種方法存在以下幾個問題：

（1）由于聲音是由聲源向四面八方傳播的，不具有確定的方向性，因此只有當障礙物的形狀和位置比較簡單和明確時，才適合使用。當被測物位置隨機放置，若要收到理想的檢測效果必須增加硬件（如至少2個發聲和接受裝置）。同時在信號處理過程中的計算工作也很繁重。特別是當小車的周圍還具有與障礙物距離接近的物體時，多種反射波混合在一起，CPU很難區分。

（2）聲納發生和接收裝置結構比較復雜，價格較昂貴。

（3）聲音在空氣中傳播的過程中損耗較小，因此傳播距離較遠，遠處的物體與障礙物一樣能夠反射聲波，并對稍后的障礙物反射波造成干擾。和聲納測物相比，用光線測障礙物的方案更可行，不過采用類似圖3或圖4中的電路顯然對外界光線的變化缺少適應性。而事實上外界光線的強度變化很大，在試驗中發現不同時間、不同房間、相同房間不同位置甚至人員在房間內走動所引起光強度的變化，都足以覆蓋障礙物反射光強度的變化。因此，抑制干擾信號，保留檢測信號，同時增強對外界擾動光線變化的自適應性，是研究的主要方向。以下是嘗試的幾種方法。

4.1 利用差模方式抵消干擾信號

這種方法是在小車的相同方向上安裝2個光敏元件ST188，為了便于區分稱之為ST188A和B。其中A的發射端和接收端都工作，而B只有接收端工作。因此當小車接近擋板或障礙物時，A的接收端即感受到自然光，也感受到反射光，產生阻值變化ΔrA自然+Δr反射，與此同時B的接收端只感受到自然光產生阻值變化ΔrB自然，如果選擇2個特性比較一致ST188，那么ΔrA自然=ΔrB自然，圖5中將2個ST188的接受端分別放入一個運放構成的加法電路中，由于A和B處在電橋的對邊的位置上，完成的實際是減法運算，因此自然光引起的阻值（電壓）變化可以在電路中被抵消掉。而反射光引起的阻值（電壓）變化被保留和放大，并使輸出端發生邏輯上的變化。這種方法最大的優點是能夠消除外界光線的干擾。在大多數情況下可以準確檢測目標。

圖5 基于差模方式的障礙物檢測方式

但是這種方法也有局限性：

（1）對2個ST188的一致性要求比較高，否則Δr自然（=ΔrA自然-ΔrB自然）不能被忽視，則放大電路的放大倍數不能取得很大。使得檢測電路的靈敏度受到影響。而在實際中由于ST188等光電元件的非線性和弱回滯特性，要找到2個輸入輸出特性非常接近的器件并不容易，需要對多個同類元件進行反復測試、對比和挑選。

（2）當外界環境光線過強的情況下不適合使用。這時接收端的光敏二極管趨于飽和，輸入輸出曲線斜率接近于0，整個檢測電路的靈敏度下降。

4.2 基于微分電路的障礙物檢測方法

工作原理如圖6所示，由單片機的P3.1引腳發出頻率為100Hz的方波，驅動ST188發射端發光二極管以100Hz的頻率閃動，發出閃爍的光波，當有障礙物接近時，反射光引起ST188接受端的光敏電阻r光以相同的頻率變化，使得圖6中A點電壓值VA相應變化。VA中包含有直流成分V直和頻率為100Hz的交流成分V交，其中后者反映了障礙物的接近情況。為了保留有用的交流信號V交，消除直流成分V直，我們用隔直電容C1來完成隔直通交的功能，并由后面的放大電路對V交進行放大。具體來說，小車遠離障礙物時，運放的輸出VO為高電平，當小車接近障礙物時，VO輸出幅值是5V頻率為100Hz的方波信號。這種檢測方法的靈敏度較高，對外界光線變化的適應性很強。但是其自身存在的缺點也很突出，即微分電路對電源的變化非常敏感，特別是小車的左右轉向控制電機的啟動電流很大（200mA以上），會將浪涌噪聲引入電源，引起電池的輸出電壓波動，波動的幅值一般較大，有時可達0.5V，造成檢測電路供電電壓跟隨變化，引起微分電路的誤動作。

為此采用2組獨立的供電電池。一組為小車的電機及驅動電路供電，另一組為CPU及檢測電路服務，同時在微分電路的電源端并聯2個去耦電容，以消除該電源波動對微分電路造成的影響。在兩組電源之間只有通過光耦的光的聯系，沒有電的聯系，從而切斷了直流電機產生的浪涌干擾進入檢測單元的途徑。

圖6 基于微分電路的障礙物檢測電路

4.3 以A /D芯片為調理電路的智能識別方法

在小車運行中，光電傳感器送出的信號包含著有用信號和干擾信號。前面的辦法都是盡量阻止干擾信號進入CPU。實際上，完全可以先將有用信號和干擾信號同時接收進來，然后在微機中利用CPU的資源，根據兩者自身的規律，對他進行分析和處理。例如由外界光所產生的干擾信號，具有統計上的隨機性和各態遍歷性，但卻不具有某種特定的規律性。因此如果以某種規律發出激勵光源，而在檢測信號中尋找同樣變化規律的信號。就可以有效的判斷小車與障礙物的接近情況，并且由數字信號變化的幅度分析小車與障礙物的距離。如圖7所示，由P1.0發出頻率為200Hz的方波，驅動ST188發射端閃爍。同時通過A /D轉換芯片ADC0832將ST188接收端檢測到的信號轉化為數字信號，并且以串行方式送到CPU中。CPU分析數字量的變化。在檢測到第一個負跳變之后，如果能夠在連續的5個固定時刻檢測到4個以上的數字負跳變，則改變發射頻率為400Hz，如果同樣地能夠檢測到5個激勵信號中的4個，則說明發現障礙物。這是一種智能檢測和識別的方法。他的可行性在于：除了隨機的干擾不具有特定的變化規律外，我們在實驗中發現，外界光線所引起干擾量雖然幅度很大，但狀態變化緩慢、交流成分的頻率較低，而且在狀態切換的過程中并無抖動現象發生。

圖7 基于智能識別的障礙物檢測電路

5 結 語

總之，在實際電路設計和調試的過程中，必須根據具體的情況采取不同的信號調理電路和相應的信號處理方法。實踐表明采用光電傳感器測量黑線、擋板、障礙物或光源都能夠取得理想的效果。而且，硬件電路的成本較低。

參考文獻：

[1] 何立民.單片機應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1990.

[2] 王幸之，忘雷.單片機抗干擾應用系統抗干擾技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.

[3] 徐淑華，程退安，姚萬生.單片微型機原理及應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1994.

[4] 劉君華.現代檢測技術與測試系統設計[M].西安：西安交通大學出版社，1999.