几种光电检测电路的性能比较

王大伟 周强

【摘要】介绍和分析了几种实际的光电检测电路，并对难点问题的多种方案进行了研究和比较。

【关键词】光电检测电路；抗干扰；微分电路；测量

1引言

在过去的全国电子设计大赛上经常出现自动小车的题目，这其中的难点就是非接触目标的检测和识别上。有一年的题目要求小汽车能够检测跑道中的黑线和跑道左右两侧的挡板，如图1所示。而有一年的竞赛题目难度加大，要求小车沿着黑色跑道前进，并且在光源的引导下绕开障碍物进入停车区，如图2所示。将竞赛中涉及到的非接触式测量归结为三类：检测黑线、寻找光源、识别障碍物或挡板。对于这三类问题，使用光电器件、配以相应的调理电路和合理的信号处理手段，都能取得满意的检测效果。

图1 小车检测黑线和挡板

图2 小车绕开障碍物沿跑道前进

2 黑线检测电路

图3是一个以光电元件ST168为核心的黑线检测电路。其工作原理是这样：在正常工作情况下，ST168的发射端发出恒定的不可见光（红外线），当红外线被白纸或黑线反射给ST168的接收端（光敏电阻）时，由于白纸和黑线反射光线的强度不同，会引起光敏电阻的阻值变化。一般情况下，当反射物由白纸变为黑线，光敏电阻的阻值会从几十KΩ变为几百KΩ，A点的电压下降，使PNP型三极管导通，电路输出端B点电压改变（由逻辑1变为逻辑0），送入单片机中进行进一步处理。

图3 黑线检测电路

值得一提的是，大多数自动小车的核心器件采用的是51系列的单片机，如AT89C51。而在对单片机进行端口资源分配时应注意：由于AT89C51的4个并行I/O口中，只有P0是一个标准双向三态口，其输出驱动电路是由2个场效应管串联而成，等效输入电阻大于5MΩ，一般不会对外接电路产生太大的影响。因此尽量保留P0作为检测电路的输入口来使用。而P1，P2，P3只是准双向I/O口，他们的输出驱动电路被简化为一个等效电阻与一个场效应管的串联电路，等效输入电阻仅30 kΩ，不可避免的会改变外电路的工作点，特别是对于一些新型的光电器件，如光电阻或光电池，内阻较大（前者的内阻随着照射光的强弱在几十到几百kΩ之间变化，后者的内阻可以达到1MΩ以上）。因此这些元件所组成的电路在P0以外的接口上根本无法正常使用。

3 光源检测电路

光源检测电路非常简单，在小车的前端每隔30°设置一个外套细遮光管的光敏电阻，用以接收和检测特定方向上的光源。该电路如图4所示。

图4 光源检测电路

4 障碍物识别电路

障碍物或挡板的检测和判断始终是自动小车的设计难点。一些参赛队尝试使用声纳技术。利用声音的传播速度较慢和单片机的高速运算和处理能力，能够比较精确测量出小车与障碍物或挡板的实际距离。但是这种方法存在以下几个问题：

（1）由于声音是由声源向四面八方传播的，不具有确定的方向性，因此只有当障碍物的形状和位置比较简单和明确时，才适合使用。当被测物位置随机放置，若要收到理想的检测效果必须增加硬件（如至少2个发声和接受装置）。同时在信号处理过程中的计算工作也很繁重。特别是当小车的周围还具有与障碍物距离接近的物体时，多种反射波混合在一起，CPU很难区分。

（2）声纳发生和接收装置结构比较复杂，价格较昂贵。

（3）声音在空气中传播的过程中损耗较小，因此传播距离较远，远处的物体与障碍物一样能够反射声波，并对稍后的障碍物反射波造成干扰。和声纳测物相比，用光线测障碍物的方案更可行，不过采用类似图3或图4中的电路显然对外界光线的变化缺少适应性。而事实上外界光线的强度变化很大，在试验中发现不同时间、不同房间、相同房间不同位置甚至人员在房间内走动所引起光强度的变化，都足以覆盖障碍物反射光强度的变化。因此，抑制干扰信号，保留检测信号，同时增强对外界扰动光线变化的自适应性，是研究的主要方向。以下是尝试的几种方法。

4.1 利用差模方式抵消干扰信号

这种方法是在小车的相同方向上安装2个光敏元件ST188，为了便于区分称之为ST188A和B。其中A的发射端和接收端都工作，而B只有接收端工作。因此当小车接近挡板或障碍物时，A的接收端即感受到自然光，也感受到反射光，产生阻值变化ΔrA自然+Δr反射，与此同时B的接收端只感受到自然光产生阻值变化ΔrB自然，如果选择2个特性比较一致ST188，那么ΔrA自然=ΔrB自然，图5中將2个ST188的接受端分别放入一个运放构成的加法电路中，由于A和B处在电桥的对边的位置上，完成的实际是减法运算，因此自然光引起的阻值（电压）变化可以在电路中被抵消掉。而反射光引起的阻值（电压）变化被保留和放大，并使输出端发生逻辑上的变化。这种方法最大的优点是能够消除外界光线的干扰。在大多数情况下可以准确检测目标。

图5 基于差模方式的障碍物检测方式

但是这种方法也有局限性：

（1）对2个ST188的一致性要求比较高，否则Δr自然（=ΔrA自然-ΔrB自然）不能被忽视，则放大电路的放大倍数不能取得很大。使得检测电路的灵敏度受到影响。而在实际中由于ST188等光电元件的非线性和弱回滞特性，要找到2个输入输出特性非常接近的器件并不容易，需要对多个同类元件进行反复测试、对比和挑选。

（2）当外界环境光线过强的情况下不适合使用。这时接收端的光敏二极管趋于饱和，输入输出曲线斜率接近于0，整个检测电路的灵敏度下降。

4.2 基于微分电路的障碍物检测方法

工作原理如图6所示，由单片机的P3.1引脚发出频率为100Hz的方波，驱动ST188发射端发光二极管以100Hz的频率闪动，发出闪烁的光波，当有障碍物接近时，反射光引起ST188接受端的光敏电阻r光以相同的频率变化，使得图6中A点电压值VA相应变化。VA中包含有直流成分V直和频率为100Hz的交流成分V交，其中后者反映了障碍物的接近情况。为了保留有用的交流信号V交，消除直流成分V直，我们用隔直电容C1来完成隔直通交的功能，并由后面的放大电路对V交进行放大。具体来说，小车远离障碍物时，运放的输出VO为高电平，当小车接近障碍物时，VO输出幅值是5V频率为100Hz的方波信号。这种检测方法的灵敏度较高，对外界光线变化的适应性很强。但是其自身存在的缺点也很突出，即微分电路对电源的变化非常敏感，特别是小车的左右转向控制电机的启动电流很大（200mA以上），会将浪涌噪声引入电源，引起电池的输出电压波动，波动的幅值一般较大，有时可达0.5V，造成检测电路供电电压跟随变化，引起微分电路的误动作。

为此采用2组独立的供电电池。一组为小车的电机及驱动电路供电，另一组为CPU及检测电路服务，同时在微分电路的电源端并联2个去耦电容，以消除该电源波动对微分电路造成的影响。在两组电源之间只有通过光耦的光的联系，没有电的联系，从而切断了直流电机产生的浪涌干扰进入检测单元的途径。

图6 基于微分电路的障碍物检测电路

4.3 以A /D芯片为调理电路的智能识别方法

在小车运行中，光电传感器送出的信号包含着有用信号和干扰信号。前面的办法都是尽量阻止干扰信号进入CPU。实际上，完全可以先将有用信号和干扰信号同时接收进来，然后在微机中利用CPU的资源，根据两者自身的规律，对他进行分析和处理。例如由外界光所产生的干扰信号，具有统计上的随机性和各态遍历性，但却不具有某种特定的规律性。因此如果以某种规律发出激励光源，而在检测信号中寻找同样变化规律的信号。就可以有效的判断小车与障碍物的接近情况，并且由数字信号变化的幅度分析小车与障碍物的距离。如图7所示，由P1.0发出频率为200Hz的方波，驱动ST188发射端闪烁。同时通过A /D转换芯片ADC0832将ST188接收端检测到的信号转化为数字信号，并且以串行方式送到CPU中。CPU分析数字量的变化。在检测到第一个负跳变之后，如果能够在连续的5个固定时刻检测到4个以上的数字负跳变，则改变发射频率为400Hz，如果同样地能够检测到5个激励信号中的4个，则说明发现障碍物。这是一种智能检测和识别的方法。他的可行性在于：除了随机的干扰不具有特定的变化规律外，我们在实验中发现，外界光线所引起干扰量虽然幅度很大，但状态变化缓慢、交流成分的频率较低，而且在状态切换的过程中并无抖动现象发生。

图7 基于智能识别的障礙物检测电路

5 结 语

总之，在实际电路设计和调试的过程中，必须根据具体的情况采取不同的信号调理电路和相应的信号处理方法。实践表明采用光电传感器测量黑线、挡板、障碍物或光源都能够取得理想的效果。而且，硬件电路的成本较低。

参考文献：

[1] 何立民.单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.

[2] 王幸之，忘雷.单片机抗干扰应用系统抗干扰技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[3] 徐淑华，程退安，姚万生.单片微型机原理及应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994.

[4] 刘君华.现代检测技术与测试系统设计[M].西安：西安交通大学出版社，1999.