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君子忧道不忧贫。——孔丘
光电传感器
一、反射式光电传感器简介
反射式光电传感器在机器人中有着广泛的应用。可以用来检测地面明暗和颜色的变化,也可以探测有
无接近的物体。这种光电传感器的基本原理是,自带一个光源和一个光接收装置,光源发出的光经过待测
物体的反射被光敏元件接收,再经过相关电路的处理得到所需要的信息。相应的,光谱范围,灵敏度,抗
干扰能力,输出特性等都是反射式光电传感器的重要参数。
二、简单比较型光电传感器
在上左图中,JP1是光电管,接收光强在上面转换成电流,在R上成为电压信号,与RA1的标准值
进行比较,从LM339输出逻辑电平给单片机。
R越大,光电流产生的电压变化越大,传感器也就越灵敏。但是若R过大,当光比较强的时候,R上
的电压会达到VCC而不再变化,这就是所谓的饱和。在这种比较型的传感器电路中,饱和只会使强光与强
光难以分辨,但仍可以区分强光和弱光,它并不是影响比较结果的重要因素。但在后面介绍的几种调制型
传感器中,饱和是必须避免的,因为它会掩盖交流分量。高灵敏度和饱和是一对矛盾,在后面提到了一些
相关的解决方案。
LM339是开路输出的,10K的电阻是为了使输出电压正确。如果后面是51之类开路输入的单片机,
这个电阻可以省略。
假如把光敏管放在下边,电阻放在上边。这样当光线较暗时比较器输入电压接近VCC,超过比较器
LM339能够正常工作的最高输入电压Vm,比较器不能正常工作(LM339的共模输入电压最低能低到0,但
是最高达不到VCC),因此灵敏度做不高。为了使比较器正常工作,电阻值应使得光照时比较器输入电压
Vi大幅下降,满足VCC-I*RVm(I是光电流),就是I*RVCC-Vm。这样,光再强一点,I*R接近VCC,Vi
就会降到0附近,光敏管就会饱和,降低了区分颜色的可靠性。
而现在把光敏管放在上边,电阻放在下边,就可以解决这个问题:这时Vi=I*R,使用较小的R可以保证
ViVmVCC,不会发生电压范围溢出或者光敏管饱和。这时为了保证光照与输出有相同的逻辑关系(光照
1
博观而约取,厚积而薄发。——苏轼
时输出低电平,指示灯亮),比较器的同相和反相输入端要互换。
上图右为给发光管供电的恒流电路(I=0.9V/R1),恒流的工作过程是:D11起稳压作用,如果电流偏大,
R1分压变大,T1的VBE降低,使电流减小;反之亦然。这个负反馈过程使电流恒定,R1上的电压恒定在
D11压降和VBE之差,约0.9V。改变R20对地的通断也可以控制发光管的亮灭。这样可以使用很小的R
或设置比较高的基准电压,只有很强的光输入才能触发电路。这时在恒流源中三极管的发射极电阻上并联
一个电容后,就可以用单片机控制探头照明的LED发出短而强的光脉冲并进行随机调制和解调,提高抗干
扰能力,成为调制型传感器电路的一种。
三高通滤波型光电传感器
光源是用一个脉冲振荡电流去点亮发光二极管,电路图没有画出,可以使用任何一种振荡电路,平均
电流根据发光二极管的参数可以取到20mA左右。
接收部分是这样工作的:传感器信号先经过CR高通网络去掉直流和低频成分,并加入一个直流offset,
也就是一个稳定的直流分量叠加一个交流分量,再与一个设定的直流分量进行比较,如果交流分量的峰值超
过offset与设定值之差,比较器就会输出一个方波脉冲,否则输出0;然后通过RC低通网络,使方波脉冲的交流
分量尽可能的减小,变成某个直流电压V(0),再与另一个设定值(V)比较,输出低电平.如果没有交流输入,第
一级比较器输出0,第二级比较器输出高电平,如下表所示:(仿真结果)
器1
2
百学须先立志。——朱熹
器2
这种电路可以在未饱和的情况下抵御外界非交流光以及瞬间光(如闪光灯)的干扰,但收到高频光的
干扰时会产生误动作。
四使用LM567的调制传感器
LM567是一种廉价的音频锁相环集成电路,利用它可以构造性能较好的反射式光电传感
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