基于紅外線的光電效應(yīng)自動(dòng)避障裝置

吳承威 王哲峰 吳哲 董齊 張馨丹

【摘 要】光子在傳播過程中，隨著傳播距離的增加，能量損耗也會(huì)增大。設(shè)置光線發(fā)射器，利用光敏元件，對(duì)反射回來的光線能量進(jìn)行測量，根據(jù)其能量大小，換算出光源距離障礙物的距離，結(jié)合制動(dòng)裝置的控制，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)避障；反射光子能量

一、自動(dòng)避障裝置物理原理

光電效應(yīng)：光是由一份一份不連續(xù)的光子組成，當(dāng)某一光子照射到對(duì)光靈敏的物質(zhì)（如硒）上時(shí)，它的能量可以被該物質(zhì)中的某個(gè)電子全部吸收。電子吸收光子的能量后，動(dòng)能立刻增加；如果動(dòng)能增大到足以克服原子核對(duì)它的引力，就能在十億分之一秒時(shí)間內(nèi)飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。單位時(shí)間內(nèi)，入射光子的數(shù)量愈大，飛逸出的光電子就愈多，光電流也就愈強(qiáng)，這種由光能變成電能自動(dòng)放電的現(xiàn)象，就叫光電效應(yīng)。

只要光的頻率超過某一極限頻率，受光照射的金屬表面立即就會(huì)逸出光電子，發(fā)生光電效應(yīng)。當(dāng)在金屬外面加一個(gè)閉合電路，加上正向電源，這些逸出的光電子全部到達(dá)陽極便形成所謂的光電流。在入射光一定時(shí)，增大光電管兩極的正向電壓，提高光電子的動(dòng)能，光電流會(huì)隨之增大。但光電流不會(huì)無限增大，要受到光電子數(shù)量的約束，有一個(gè)最大值，這個(gè)值就是飽和電流。所以，當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)，根據(jù)光子假設(shè)，入射光的強(qiáng)度（即單位時(shí)間內(nèi)通過單位垂直面積的光能）決定于單位時(shí)間里通過單位垂直面積的光子數(shù)，單位時(shí)間里通過金屬表面的光子數(shù)也就增多，于是，光子與金屬中的電子碰撞次數(shù)也增多，因而單位時(shí)間里從金屬表面逸出的光電子也增多，電流也隨之增大。

本裝置利用光電效應(yīng)的這一性質(zhì)，運(yùn)用半導(dǎo)體自制光敏原件，它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜， 漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。

在黑暗的環(huán)境下，它的阻值很高；當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子—空穴對(duì)的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強(qiáng)，光生電子—空穴對(duì)就越多，阻值就愈低。當(dāng)其兩端加上電壓后，流過元件的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子-空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值，電流也逐漸減小。本項(xiàng)目利用光電效應(yīng)的內(nèi)光電效應(yīng)，設(shè)置光子發(fā)射裝置和光子接收裝置。

考慮到紅外線具有環(huán)境適應(yīng)性好，發(fā)射系統(tǒng)體積小，不易被電磁波干擾等優(yōu)點(diǎn)，信號(hào)采用紅外線二極管進(jìn)行發(fā)射。紅外發(fā)射二極管分為很多種。本次設(shè)計(jì)所使用的是峰值波長為940nm的紅外發(fā)射二極管。940nm紅外發(fā)射二極管優(yōu)點(diǎn)：光強(qiáng)度高，響應(yīng)速度快，可用脈沖驅(qū)動(dòng)，無色透明環(huán)氧樹脂。其主要應(yīng)用領(lǐng)域：紅外遙控系統(tǒng)，紅外探測系統(tǒng)，紅外幕墻保安系統(tǒng)。在使用紅外發(fā)射二極管時(shí)，發(fā)射管的輻射強(qiáng)度（Power）與輸入電流（If）成正比。輻射強(qiáng)度用以表示紅外線發(fā)光二極管（IR）其輻射紅外線能量之大小。發(fā)射距離與輻射強(qiáng)度（Power） 成正比。

可見光經(jīng)由反射面反射后，能量強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，主要源于光子在反射面上的能量損耗和光子在傳播路徑上的能量損耗。光子在接觸面的能量損耗各個(gè)情況下基本相同，但是在傳播過程中，光路的傳播路徑越長，能量消耗越大。利用這一原理，我們可以在物體上放置光源發(fā)射裝置和接收裝置，接收裝置由光敏元件制成，根據(jù)其光子強(qiáng)度越高，電阻越大的特點(diǎn)，可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從而通過對(duì)電流的檢測直接獲得和障礙物之間的距離。

二、自動(dòng)壁障裝置方案設(shè)計(jì)

本裝置可以分為兩個(gè)部分：信號(hào)發(fā)射和接收部分，信號(hào)處理部分。

信號(hào)發(fā)射和接收部分：本裝置主要承擔(dān)信號(hào)發(fā)射工作，考慮到紅外線具有環(huán)境適應(yīng)性好，發(fā)射系統(tǒng)體積小，不易被電磁波干擾等優(yōu)點(diǎn)，信號(hào)采用紅外線二極管進(jìn)行發(fā)射。紅外發(fā)射二極管分為很多種。本次設(shè)計(jì)所使用的是峰值波長為940nm的紅外發(fā)射二極管。在使用紅外發(fā)射二極管時(shí)，發(fā)射管的輻射強(qiáng)度（Power）與輸入電流（If）成正比。輻射強(qiáng)度用以表示紅外線發(fā)光二極管（IR）其輻射紅外線能量之大小。發(fā)射距離與輻射強(qiáng)度（Power）成正比。我們采用穩(wěn)壓二極管對(duì)返程紅外線進(jìn)行接收。利用光敏元件的光電導(dǎo)效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。（光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。）

信號(hào)處理部分：在此裝置具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，以自制小車為例，在小車車頭左右兩側(cè)部位分別安裝一個(gè)紅外線的發(fā)射和接收裝置。本部分結(jié)合STC89C52單片機(jī)，通過分析從光敏電阻傳來的電信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)具體調(diào)控避障。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以將其連接在小車或其他裝置的電機(jī)上來達(dá)到通過光信號(hào)對(duì)電機(jī)的具體調(diào)控。在其單側(cè)檢測到前方有障礙物時(shí)，小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向躲避障礙物，（下轉(zhuǎn)第819頁）

（上接第817頁）若兩側(cè)均檢測到障礙物時(shí)，小車倒車轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)光電壁障。

三、自動(dòng)壁障裝置實(shí)際應(yīng)用

將本裝置應(yīng)用于自制電機(jī)四輪小車上時(shí)，在小車的左前方和右前方安裝該裝置，則小車的運(yùn)動(dòng)可以通過單片機(jī)來控制。

小車的具體壁障設(shè)計(jì)如下：

1.當(dāng)檢測到正前方有障礙物時(shí)，兩避障器同時(shí)接收紅外線反饋，小車兩驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)后退并轉(zhuǎn)向，然后前進(jìn)。

2.當(dāng)檢測到左前方有障礙物時(shí)，左側(cè)避障器接收反饋，右側(cè)避障小車右輪停止，左輪前進(jìn)，實(shí)施右轉(zhuǎn)壁障。

3.當(dāng)檢測到右前方有障礙物時(shí)，右側(cè)避障接收反饋，左側(cè)避障器正常工作，小車左輪停止，右輪前進(jìn)，實(shí)施左轉(zhuǎn)壁障。

四、自動(dòng)壁障裝置優(yōu)點(diǎn)

本裝置利用光在反射過程中光子能量和傳播距離的關(guān)系，利用二極管發(fā)射并接收紅外線，利用光敏電阻轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，根據(jù)接收到的紅外線的能量強(qiáng)度，測量出裝置距離障礙物的距離，使小車轉(zhuǎn)向，實(shí)施具體壁障。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本裝置設(shè)計(jì)小巧輕便，便于安裝。

2.利用二極管接收反射光能量，并用光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

3.利用單片機(jī)做信號(hào)處理，更加精準(zhǔn)。

4.可用于多種需要壁障的電控裝置。

5.制作簡單，壁障效果靈敏。

【參考文獻(xiàn)】

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