红外反射式光电传感器分时补偿

吴天强 叶敏 朱剑��

摘要：以单片机控制为核心，采用分时方式，对外反射式光电传感器的两种工作状态分别进行采样输出，实施对环境干扰光照的补偿检测：第一次采样关闭传感器红外发射管的工作电流，记录传感器的输出采样值；第二次采样打开红外发射管工作电流，再次采样并记录传感器的输出值，以两次采样数据的差值，作为传感器最终的检测值。试验表明该方法可以滤除环境干扰光照对检测结果的影响，提高传感器的工作可靠性。

关键词：光电传感器；检测电路；采样；分时；补偿

红外光电传感器是利用检测反射光强度进行工作的，其检测结果与红外发射管工作电流强弱、反射距离、反射面材料及传播介质特性等因素相关[1]。不同种类的红外反射式光电传感器件的有效检测距离各不相同，同一类型的红外反射型光电传感器件，采用不同的封装形式，其有效检测范围也有区别[2]。无补偿电路的红外反射式传感器，在红外发射管工作电流偏小时，发出的红外光，容易被较强的环境红外光所湮灭，失去检测作用；带补偿电路的传感器，工作于线性区域时，能够有效抑制环境光照变化对检测结果的影响。

在上述研究基础上，采用以单片机控制为核心，将红外检测传感器与补偿传感器，合并使用同一红外反射式传感器，以分时采样的工作方式，在较短的时间内，对红外检测传感器，快速进行两次不同工作状态的数据采样，实现只使用一个检测传感器对环境干扰光照的补偿检测。分时检测可以减少传感器的使用个数。

1 分时补偿原理

当检测模数采样速度很快时，完成连续两次采样过程后，可以近似认为自然光照强度没有发生变化，即连续两次快速采样的数据中，近似含有相同的自然光照成分，这种相同的自然光照，可以看成是一种共模信号，共模信号可以用减法运算滤除。

分时采样补偿是指对同一传感器快速进行两次连续采样，并将两次采样检测结果相减，以去除信号中的共模干扰信息。具体采样过程是：第一次采样检测，先关闭传感器的红外发射管，不发射红外光束，采样结果只含有环境光照成分；第二次采样检测，打开传感器的红外发射管，使红外发光管工作，发射红外光束，采样数据中包含有待检测的红外光和环境光照两种成分。若两次采样过程中，红外检测传感器均工作线性区域，将两次采样数据结果，进行减法运算，可以基本抵消环境光照的干扰成分，即数据差值中不含有环境干扰光照的信号成分，以实现补偿检测。

2 检测电路设计

选用带模数转换功能的单片机作为控制单元，可以方便实现上述的分时采样工作方式。用单片机的一个端口控制红外发光管的工作状态，控制端口为低电平时，红外发光管工作，发出红外光；控制端口为高电平时，红外发光管截止，则不发射红外光束。红外检测接收管的输出电压，连接到单片机的另一个端口，连接到单片机内置模数转换器的输入端，分时检测接收管输出电平状态，并将输入的模拟信号，转换成数字信号。通过单片机的运算功能，将检测得到的数字信号，进行减法运算处理，以实现分时补偿功能。

测试电路图

上图是分时采样测试电路原理图。控制单片机选取STC15W4K48S4，内置10位模数转换器，最高转换速率300 KHz。测试电路设计使用内部时钟22.1184 MHz，转换速率约为245 KHz。红外发光管限流电阻R2为160欧，发光管实际工作电流约18 mA。C2用于滤除高频干扰信号。P0.3端口控制红外发光管的工作状态，P0.3为低电平时，红外发光管工作，发出红外光；P0.3为高电平时，红外发光管截止，不发射红外光束。红外检测传感器检测输出连接到P1.3，该引脚是单片机内部模数转换器的采样输入端口，串接R1、C1是用于提高采样稳定性。采样得到的数据，经单片机处理后，从串口引脚TXD端口输出，可以用串口通信软件监控采样检测结果。D1用于防止单片机通过RXD引脚引入外部电源对单片机供电。

测试电路分时采样工作过程是，P0.3输出高电平，红外发光管截止，TCRT5000的检测输出信号，通过R1，输入到P1.3引脚，由单片机内部模数转换器转换，完成采样后，保存第一次采样数据；P0.3输出低电平，红外发光管工作，单片机内部模数转换器通过相同的方式，再次采样，并保存第二次数据。将第一次采样数据减去第二次采样数据，得到的结果值，通过串口输出，分析串口传回的数据，可以判别传感器检测结果。

3 采样数据分析

选取2只TCRT5000作为测试样品，在其最佳检测距离10 mm[2]时，进行实验测试。实验数据结果表明，两个样品在最佳检测距离，检测结果的离散性不是很大，黑色与白色表面，检测结果，区分度明显。实验检测结果数据典型值，如表1样品1和表2样品2在检测距离10 mm时数据。其中，差分值表示第1次实验采样数据结果减去第2次实验采样数据结果的差。

在传感器的极限检测距离20 mm[2]，结果如表3所示，这个检测结果的离散性相对较大，样品1在黑白表面的检测差值为67，样品2在黑白表面的检测差值为49。若使检测传感器能准确区分被检测的黑白表面，则需要设置恰当的阀值。考虑到传感器件的离散性，对于被测表面只设置单限值比较判别时，给定测试电路的检测阀值宜设置为48，即十六进制数30H。

4 结语

选取以单片机控制为核心，采用分时采样检测的方式，对同一红外反射式光电传感器，连续进行两次不同工作状态的输出结果采样，并以两次采样数据的差值，作为传感器最终的检测输出值，能实现对环境干扰光照的补偿检测。这种使用同一器件的分时补偿方式，可以滤除环境干扰光照对检测结果的影响，能提高传感器工作可靠性，减少检测传感器的使用数。

在红外反射式光电传感器的有效工作范围内，使用分时采样的方法，能够有效濾除环境自然光对检测结果的干扰。这种分时补偿方式，对人工调制光也有一定的抗干扰能力。其缺点是当人工调制光的频率与数据采样周期相同时，会形成严重干扰，使传感器失去检测作用。实际应用中，可以设定多种分时采样频率，自动切换，或使分时采样速率，在一定频率范围内渐变的模式，使采样频率与人工调制光的频率不同，达到避免这种不利情况。考虑到检测器件的离散性，检测结果数据处理时，应选取合适的阀值，作为检测判别的依据，以提高传感器的工作可靠性。

参考文献：

[1]吴天强，叶敏，朱剑.RPR220反射式光电传感器的性能测试与分析[J].科技与企业，2015（7）：172173.

[2]吴天强，朱剑，叶敏.几种常用反射型红外光电传感器件的性能探析[J].中国高新技术企业，2016（5）：6364.