Robocon中光电器件使用方法.doc

Robocon中的光电器件的使用方法 V 1.0 2006-8-21 作者：孙晓冬 E-mail: xdsunny@126.com 在Robocon中，光电器件的应用极为广泛，既可以识别场地的引导线，又可以判断前方是否有目标物或者目标物是否正确。 光电器件使用的最基本原理是检测接收的光线，进行放大滤波等预处理后转化为电信号，然后由专用电路进行识别，以确定是否有目标物或者检测目标是否正确。接收光处理技术根据光线来源和性质有多种多样。 光线来源按发射方式可分为主动式和被动式两种。主动式是由目标物，或者比赛场地内其它光源发出；而被动式则由机器人上安装的发光器件发出。前者发出的光线随外界情况的变化而有一定的变化，而后者发出的光线则相对比较稳定。 光线来源按波长可分为可见光、红外光两种。可见光一般根据场地颜色来选择，依据的是光的三原色原理（如红色吸收蓝光，黑色反射所有光线，而白线则反射所有光线），对于不同的场地颜色，启用不同的可见光作为光源。红外光是使用比较广泛的光源，购买方便，成本低。在Robocon中，可见光易受场地情况的干扰，而红外光则比较稳定。 光线来源按波形可分为直流信号，方波信号和调制信号。直流信号的产生最简单，但驱动能力最弱，最不稳定，在传播过程中会有50Hz的低频干扰和KHz左右的高频干扰。方波信号驱动能力较直流信号强，虽然也会受到干扰，但可以通过滤波去除，而且方波的产生电路比较简单，因而使用比较广泛。调制信号的驱动能力和方波差不多，并且可以通过波形的选择来改变；调制信号不易受外界干扰的影响，工作稳定；但调制信号的产生以及接收处理都比较复杂，因此使用较少。 根据实际经验，本文以被动式的红外调制波形光电器件检测白色引导线的工作方式和调试情况为核心，讨论光电器件的使用方法。 红外反射式光电传感器的工作原理 1.1 TCRT5000简介 本文所讨论的传感器是Vishay公司的红外反射式传感器TCRT5000*。该传感器由一个红外发光管和红外接收管组成。按照一定的角度封装在塑料外壳内。工作时，发光管与普通的二极管一样处于正偏状态，发出红外光。光线经过反射面反射后，被接收管所捕获。接收管是一个基极开路的三极管。当有光照时，基极中会产生“电子—空穴”对，在集电极与发射极之间加一个正向偏压，则这些电子和空穴会分别向电源正负极移动，产生复合，由此产生了光电流。 1.2 红外反射式光电传感器的基本特性参数 a) 平均正向电流IF(If)。IF是指在一定时间内发光管所能通过的平均正向电流，表征发光管平均发光能力。IF跟发光管的结面积有关，因此管径越大，IF也越大。一般Φ3（直径3mm）的发光管的IF为30mA，Φ5的发光管的IF为50mA。 IF是安全工作电流，只表示通过电流在IF以下时，发光管能稳定的长期工作，并不意味着超过IF发光管就不能工作。对于国产器件，选择的工作电流不要超过IF，而对于进口器件则可以通过试验，来适当提高工作电流。 在IF不变的情况下面，可以通过改变电流的波形，来提高瞬时电流，以提高发光管的瞬时光强。具体的内容将在下面详述。 b) 出射角θ。出射光线的光路是一个以发光管为锥顶的圆锥，因此光强与距离平方成反比，θ就是锥顶角。出射角θ越小，所照射的距离越远。一般发光管的θ在30~45度范围内。而接收管能接收的有效信号，应该是在发光管照射的范围的光线。 c) 截止频率f。这里需要说明的是，传感器的截止频率与信号频率不是同一个概念。信号频率指的是红外发射管发出的红外线的中心频率，一般的红外管发出的红外光中心波长为850nm或者940nm，接收管接收的频率与之对应。而截止频率则是在出射光波形不失真的情况下，指加给红外管两端的电压的频率，一般的红外发光管截止频率仅为数KHz的，好的发光管则可以做好40KHz以上。 e) 分辨率d。这是一个相对参数。由出射角的概念可以得知，当传感器经过一根白线时，发射光首先全照射在白线外，然后有部分照射在白线内，最后全部照射在白线内。因此，反射光强的变化是一过缓变的过程，只有当出射光全部照射在白线内时，反射光的强才能达到最大。另个，由于光电流的产生是一个“电子-空穴”的产生与复合，输出响应有一个延时τ，但τ很小，在传感器经过白线时间比较长的时候可以忽略不计。因此，当白线宽度小于d时，传感器经过时将无法响应。同理，30mm宽的白线，对于运动的传感器来说，有效宽度低于30mm。 1.3 反射面 反射面也是传感器工作中的一个重要因素。TCRT5000的DATASHEET中的参数是用标准反射面测量得出。而实验室无法提供这样的条件，并且实际的反射面也不是标准的。因此，我们从反射定律的角度来理解。 我们知道，漫反射面会将入射光线向各方向反射，反射角是随机的，不遵循反射定律。而镜面反射面则会