紅外反射式光電傳感器分時補償

吳天強 葉敏 朱劍??

摘要：以單片機控制為核心，采用分時方式，對外反射式光電傳感器的兩種工作狀態分別進行采樣輸出，實施對環境干擾光照的補償檢測：第一次采樣關閉傳感器紅外發射管的工作電流，記錄傳感器的輸出采樣值；第二次采樣打開紅外發射管工作電流，再次采樣并記錄傳感器的輸出值，以兩次采樣數據的差值，作為傳感器最終的檢測值。試驗表明該方法可以濾除環境干擾光照對檢測結果的影響，提高傳感器的工作可靠性。

關鍵詞：光電傳感器；檢測電路；采樣；分時；補償

紅外光電傳感器是利用檢測反射光強度進行工作的，其檢測結果與紅外發射管工作電流強弱、反射距離、反射面材料及傳播介質特性等因素相關[1]。不同種類的紅外反射式光電傳感器件的有效檢測距離各不相同，同一類型的紅外反射型光電傳感器件，采用不同的封裝形式，其有效檢測范圍也有區別[2]。無補償電路的紅外反射式傳感器，在紅外發射管工作電流偏小時，發出的紅外光，容易被較強的環境紅外光所湮滅，失去檢測作用；帶補償電路的傳感器，工作于線性區域時，能夠有效抑制環境光照變化對檢測結果的影響。

在上述研究基礎上，采用以單片機控制為核心，將紅外檢測傳感器與補償傳感器，合并使用同一紅外反射式傳感器，以分時采樣的工作方式，在較短的時間內，對紅外檢測傳感器，快速進行兩次不同工作狀態的數據采樣，實現只使用一個檢測傳感器對環境干擾光照的補償檢測。分時檢測可以減少傳感器的使用個數。

1 分時補償原理

當檢測模數采樣速度很快時，完成連續兩次采樣過程后，可以近似認為自然光照強度沒有發生變化，即連續兩次快速采樣的數據中，近似含有相同的自然光照成分，這種相同的自然光照，可以看成是一種共模信號，共模信號可以用減法運算濾除。

分時采樣補償是指對同一傳感器快速進行兩次連續采樣，并將兩次采樣檢測結果相減，以去除信號中的共模干擾信息。具體采樣過程是：第一次采樣檢測，先關閉傳感器的紅外發射管，不發射紅外光束，采樣結果只含有環境光照成分；第二次采樣檢測，打開傳感器的紅外發射管，使紅外發光管工作，發射紅外光束，采樣數據中包含有待檢測的紅外光和環境光照兩種成分。若兩次采樣過程中，紅外檢測傳感器均工作線性區域，將兩次采樣數據結果，進行減法運算，可以基本抵消環境光照的干擾成分，即數據差值中不含有環境干擾光照的信號成分，以實現補償檢測。

2 檢測電路設計

選用帶模數轉換功能的單片機作為控制單元，可以方便實現上述的分時采樣工作方式。用單片機的一個端口控制紅外發光管的工作狀態，控制端口為低電平時，紅外發光管工作，發出紅外光；控制端口為高電平時，紅外發光管截止，則不發射紅外光束。紅外檢測接收管的輸出電壓，連接到單片機的另一個端口，連接到單片機內置模數轉換器的輸入端，分時檢測接收管輸出電平狀態，并將輸入的模擬信號，轉換成數字信號。通過單片機的運算功能，將檢測得到的數字信號，進行減法運算處理，以實現分時補償功能。

測試電路圖

上圖是分時采樣測試電路原理圖。控制單片機選取STC15W4K48S4，內置10位模數轉換器，最高轉換速率300 KHz。測試電路設計使用內部時鐘22.1184 MHz，轉換速率約為245 KHz。紅外發光管限流電阻R2為160歐，發光管實際工作電流約18 mA。C2用于濾除高頻干擾信號。P0.3端口控制紅外發光管的工作狀態，P0.3為低電平時，紅外發光管工作，發出紅外光；P0.3為高電平時，紅外發光管截止，不發射紅外光束。紅外檢測傳感器檢測輸出連接到P1.3，該引腳是單片機內部模數轉換器的采樣輸入端口，串接R1、C1是用于提高采樣穩定性。采樣得到的數據，經單片機處理后，從串口引腳TXD端口輸出，可以用串口通信軟件監控采樣檢測結果。D1用于防止單片機通過RXD引腳引入外部電源對單片機供電。

測試電路分時采樣工作過程是，P0.3輸出高電平，紅外發光管截止，TCRT5000的檢測輸出信號，通過R1，輸入到P1.3引腳，由單片機內部模數轉換器轉換，完成采樣后，保存第一次采樣數據；P0.3輸出低電平，紅外發光管工作，單片機內部模數轉換器通過相同的方式，再次采樣，并保存第二次數據。將第一次采樣數據減去第二次采樣數據，得到的結果值，通過串口輸出，分析串口傳回的數據，可以判別傳感器檢測結果。

3 采樣數據分析

選取2只TCRT5000作為測試樣品，在其最佳檢測距離10 mm[2]時，進行實驗測試。實驗數據結果表明，兩個樣品在最佳檢測距離，檢測結果的離散性不是很大，黑色與白色表面，檢測結果，區分度明顯。實驗檢測結果數據典型值，如表1樣品1和表2樣品2在檢測距離10 mm時數據。其中，差分值表示第1次實驗采樣數據結果減去第2次實驗采樣數據結果的差。

在傳感器的極限檢測距離20 mm[2]，結果如表3所示，這個檢測結果的離散性相對較大，樣品1在黑白表面的檢測差值為67，樣品2在黑白表面的檢測差值為49。若使檢測傳感器能準確區分被檢測的黑白表面，則需要設置恰當的閥值。考慮到傳感器件的離散性，對于被測表面只設置單限值比較判別時，給定測試電路的檢測閥值宜設置為48，即十六進制數30H。

4 結語

選取以單片機控制為核心，采用分時采樣檢測的方式，對同一紅外反射式光電傳感器，連續進行兩次不同工作狀態的輸出結果采樣，并以兩次采樣數據的差值，作為傳感器最終的檢測輸出值，能實現對環境干擾光照的補償檢測。這種使用同一器件的分時補償方式，可以濾除環境干擾光照對檢測結果的影響，能提高傳感器工作可靠性，減少檢測傳感器的使用數。

在紅外反射式光電傳感器的有效工作范圍內，使用分時采樣的方法，能夠有效濾除環境自然光對檢測結果的干擾。這種分時補償方式，對人工調制光也有一定的抗干擾能力。其缺點是當人工調制光的頻率與數據采樣周期相同時，會形成嚴重干擾，使傳感器失去檢測作用。實際應用中，可以設定多種分時采樣頻率，自動切換，或使分時采樣速率，在一定頻率范圍內漸變的模式，使采樣頻率與人工調制光的頻率不同，達到避免這種不利情況。考慮到檢測器件的離散性，檢測結果數據處理時，應選取合適的閥值，作為檢測判別的依據，以提高傳感器的工作可靠性。

參考文獻：

[1]吳天強，葉敏，朱劍.RPR220反射式光電傳感器的性能測試與分析[J].科技與企業，2015（7）：172173.

[2]吳天強，朱劍，葉敏.幾種常用反射型紅外光電傳感器件的性能探析[J].中國高新技術企業，2016（5）：6364.