基于PSD 的紅外自動感應抗色差系統的設計與實現

文/胡成平

1 目前紅外自動感應系統存在的不足

現在紅外自動感應系統是根據紅外光反射強度的原理：紅外發射管主動發射紅外光信號照射到物體表面，物體表面反射紅外光信號，紅外接收器檢測物體表面反射的紅外光信號強度，對感應物體進行距離識別；感應物體距離越近反射越強，而在相同的距離，物體顏色越深反射越弱；原因是不同材料、不同顏色的物體反射紅外光的差異非常大；紅外光對不同顏色表面反射的差異性，造成了紅外自動感應系統因物體顏色的不同，可識別的距離偏差非常大，甚至可達到幾十個厘米；紅外自動感應系統存在對感應物體的顏色非常敏感，系統穩定性差、感應距離精度低等不足。

2 基于PSD的紅外自動感應抗色差系統

該系統是利用物體表面反射的紅外光信號照射在一維PSD 表面，產生橫向光電效應；通過等效電阻上產生的不同光電流及紅外光反射路徑的三角形比例函數關系，計算出感應物體的距離。

2.1 應用PSD的紅外自動感應抗色差原理

紅外光線由發射管發出，照射在物體表面，經物體表面反射后，經過前端焦距為f 的透鏡后，形成光斑透射到一維PSD 上；見圖1。

其中X 為光斑到PSD 中心的距離，M 為PSD 的長度，M1 和M2 分別為PSD 中心距到二邊的長度，見圖2。

圖1

圖2

圖3

且M1+M2=M ① ；PSD 二端分別接信號輸出電極，光斑透射到PSD 上產生光電流I0，而光斑到PSD 左右二邊的距離，可用看成是R1 和R2 二個等效電阻，見圖3。

光斑在R1 和R2 二個等效電阻上形成的光電流分別為：I1 和I2，并且②I1 + I2 = I0；I1 和I2 的大小由入射透鏡的角度及光斑在PSD 上的位置X 決定，根據圖3的等效電路圖，兩個信號電極的輸出光電流之比為入射光點到PSD二邊距離之比的倒數，由此列出如下等式：

把① 、②等式代入③式中，可變換為：

由④式可知，紅外光的反射只與光斑在PSD 距離中心線的位置X 有關，而與入射光強度無關，

在該系統中，PSD 為入射光斑位置的敏感器件。④式則為PSD 反映光斑位置的輸出信號表達式。紅外發射器發射紅外光信號，當遇到物體時反射紅外光信號，通過透鏡在PSD上形成光斑，見圖1所示。PSD 檢測到光斑后，通過硬件電路把光斑在PSD 二邊形成的光電流信號放大并轉換成二路電壓信號，輸入到單片機的內置A/D 采樣模塊，由A/D 模塊把二路模擬信號轉換成單片機可處理的數字信號；根據④式，單片機把采樣得到的二路電壓信號進行加減法和除法處理后，計算出光斑在PSD上的偏移位置X 的值。

圖4

圖5

圖7

在圖1中，通過相似直角三角形的對應邊之比相等的比例關系，列出函數公式：⑤ f/X=Dm/(L/2) ；因中心距L 為紅外發射管與接收器件之間的距離，L 為系統的已知值，并且L 值都非常小，只有幾個厘米的距離，遠小于距離Dm 的值，而光斑位置X 的值已由④式計算出來，因此可由⑤ 求得物體與系統之間距離Dm 的值，Dm 值只與PSD 中心偏離值X有關，與紅外發射光的強度無關，也即與物體表面顏色或材料表面粗糙度無關反射紅外光的強度弱無關聯，由此實現了紅外自動感應系統的抗色差要求，并且提高了紅外自動感系統的精度和穩定性。

2.2 系統組成

紅外自動感應抗色差系統主要由以下幾個部份組成：紅外光信號發射裝置、透鏡裝置、PSD 感應器、信號轉換和放大電路、單片機、執行處理器件等組成。組成框圖如圖4。

2.3 硬件電路

紅外自動感應抗色差系統硬件原理圖如圖5。

圖6

紅外發射管D1 發射紅外光信號，遇到物體時紅外光信號被反射，通過透鏡形成光斑照射到PSD 上形成光電流，經U1、U2、U3、U4 對PSD 輸出的光電流進行電流-電壓轉換和放大后，輸入到單片機內置A/D 采樣模塊，采樣得到二路電壓信號值V1 和V2，單片機對二路數字信號進行加、減和除法運算后，根據④式計算求出光斑在PSD 上的偏移位置X值，通過相似三角形公式的等比例關系⑤式：f/X=Dm/(L/2+X)求得物體與感應系統之間距離值Dm，通過設定最大距離Dmax，檢測到物體距離小于Dmax 時，則開啟執處器件，距離大于Dmax 時，則關閉執處器件，從而實現了紅外自動感應抗色差系統的執行控制。

2.4 軟件流程圖

軟件的流程圖，見圖6。

上電初始化系統后，啟動發射紅外光信號，進行物體的檢測，開啟A/D 轉換子程序，對接收到的A/D 信號采樣，對采樣得到的二路電壓信號進行加法、減法、除法的運算；再通過相似三角形關系公式，計算出實際距離Dm；進行物體距離檢測比較，并識別實際距離是否符合觸發控制處理的距離條件要求，符合條件則執行控制處理子程序，結束后，進入下一次循環查詢。

3 系統的測試與驗證

通過測試，使用不同顏色物體，對原紅外自動感應系統與應用了PSD 的紅外自動感應抗色差系統分別進行了測試對比，二種系統按測試要求，均以標準白板為感應物體，設定感應距離為50CM，二種系統不同電壓值下測試比較，驗證系統的可靠性和穩定性；得到數據比較，如圖7。

同樣二種系統按測試要求，以白、藍、紅、綠、黃、黑標準色卡板為基準感應物體進行測試，感應距離設定為50CM，幾種不同顏色的感應物體測試數據，如圖8。

從以上二類測試數據可知，在不同電壓值及不同顏色的條件下，基于PSD 的紅外自動感應抗色差系統穩定可靠、且對顏色不敏感；大大的提高了紅外自動感應系統的穩定性和精度，且具有抗色差的特性。

4 結束語

通過采用PSD 作為紅外接收器件，通過物體表面反射紅外光在PSD 上形成光電流，經對電流信號的轉換和放大，并在測量電路中應用單片機的內置高精度的A/D 采樣模塊和高速CPU 的應用，將A/D 采樣得到的信號進行加法、減法、除法的數字運算的方式完成，克服硬件運算電路在一定條件下性能不足的缺點；通過軟件算法消除了硬件測量電路中存在的漂移、偏置積累的不良影響，最終的測量距離只與光點的位置偏移量X 有關，而與入射光強度無關，不同顏色的感應物體，保持同樣精度的感應距離。改變了紅外傳感器對顏色敏感的特性，滿足了紅外抗色差的技術要求，并提高了系統的穩定性和測距精度。

圖8