红外测距传感器的原理与设计
摘要：现代科学技术的发展，进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。为了实现物体近距离、高精度的无线测量，我采用红外发射接收模块作为距离传感器，单片机作为处理器，编写A/D转换、显示以及与PC机的通信程序，开发了一套便推式的红外距离测量系统，系统可以高精度的实时显示所测的距离，并且可以将距离量通过串口发送到PC机显示处理、本系统结构简单可靠、体积小、测量精度高、方便使用，另外本系统形成了一套完善的软硬件开发平台，可以进行扩展、移植和做进一步的开发。
关键词：红外测距；68HC11E1；A/D转换；
Principle and design of the infrared distance sensor Abstract：The development of modern science and technology, into many new areas, has a laser The development of modern science and technology, into many new areas, has a laser range finder in the ranging aspects, ranging of microwave radar, ultrasonic ranging and infrared ranging. In order to achieve the objects at close range, high-precision wireless measurement, I used the infrared transmitter receiver module as the distance sensor, microcontroller as the processor to write the A / D conversion, display and communication with the PC program, developed a will to push infrared distance measurement systems, high-precision real-time system can display the measured distance, and distance measuring can be sent through the serial port to a PC display processing, the system structure is simple and reliable, small size, high accuracy, ease of use, while this system the formation of a complete set of hardware and software development platform can be extended, transplantation, and further development.
Key words:Infrared distance; 68HC11E1; A / D conversion;
一、绪论 (1)
1.1设计背景 (1)
1.2红外线简介 (1)
1.3红外线传感器概述 (2)
1.3.1 红外线传感器系统介绍 (2)
1.3.2 红外线传感器的分类 (3)
1.3.3 红外线传感器的应用 (6)
二、红外测距的方法和原理 (7)
2.1几种红外测距原理及选择 (7)
2.1.1 相位测距原理 (7)
2.1.2 PSD测距原理 (9)
2.1.3 带运动机构的双象比较法原理 (9)
2.1.4 时间差测距法原理 (9)
2.1.5 反射能量法原理 (9)
2.1.6 红外测距原理的选择 (9)
2.2红外测距系统的工作原理 (9)
三、红外测距的基本结构及系统框图 (11)
3.1红外测距的过程 (11)
3.2红外测距系统框图 (11)
3.3主要元件分析 (12)
3.3.1 红外线发射器件 (12)
3.3.2红外线光敏二极管 (13)
四、红外测距硬件电路设计 (14)
4.1单片机最小系统 (14)
4.2红外发射电路设计 (16)
4.3红外接收放大电路设计 (17)
4.4电源电路 (19)
4.5数码管显示电路 (21)
五、软件模块设计 (23)
5.1程序设计步骤 (23)
5.2软件设计框图： (23)
5.3红外测距A/D转换程序 (24)
六、测量精度分析 (26)
[参考文献] (27)
附录 (28)
致谢 (28)
1.1 设计背景
在基础学科研究中，传感器具有突出的地位。现代科学技术的发展进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。由于受恶劣的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用元件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性—反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。红外线测距传感器有它的几个特点，远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；有同步输入端，可多个传感器同步测量；测量范围广，响应时间短；外形设计紧凑，易于安装，便于操作；所以它的应用价值比较高。另外红外测距的应用越来越普遍。在很多领域都可以用到红外测距仪。红外测距一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。当前红外测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。
1.2 红外线简介
近二十年来，红外辐射技术已成为一门迅速发展的新兴技术科学，它已广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。红外辐射技术是发展测量技术、遥感技术和空间科学技术的重要手段。红外辐射俗称红外线，又称红外光，它是一种人眼看不见的光线，但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质，任何物质只要它的湿度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。它的波长介于可见光和微波之间，它的波长范围大致在0.75μM-1000μM的频谱范围之内，红外线与可见光、紫外线、x射线、y射线和微波、无线电波一起构成了整
个无线连续的电磁波谱。在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得广泛的应用。
1.3 红外线传感器概述
1.3.1 红外线传感器系统介绍
1.待测目标
根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。
2.大气衰减
待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。
3.光学接收器
它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。
4.辐射调制器。
对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘或斩波器，它具有多种结构。
5.红外探测器
这是红外系统的核心。它是将红外辐射能转换为电能的光敏器件，利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器。多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。
6.探测器制冷器
由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。
7.信号处理系统。
将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。
8.显示设备。
这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。依照上面的流程，红外系统就可以成相应的物理量完的测量。
红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。
热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器有依赖于温度的变化而发生变化的性能。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。欧姆龙公司生产的漫反射式和对射式光电传感器，这两种传感器主要用于事件检测和物体定位。
红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。
1.3.2 红外线传感器的分类
常见红外传感器可分为热传感器和光子传感器。
(1)热传感器
热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。热探测器的主要优点是相应波段宽，可以在室温下工作，使用简单。但是，热传感器相应时间较长，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。
热传感器主要类型有：热敏传感器型，热电偶型，高莱气动型和热释放电型四种。
(a)热敏电阻型传感器
热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧解而成的，热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值减少。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。
(b)热电偶型传感器
热电偶是由热电功率差别较大的两种材料构成。当红外辐射到这两种金属材
料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流。同时回路中产生温差电势，温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，因其时间常数较大，相应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10HZ以下。
(c)莱气动型传感器
高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收模，它是低热容量的薄膜。红外辐射通过窗口入射到吸收模上，吸收模将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动。在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生变化，这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种传感器的特点是灵敏度高，性能稳定。但响应时间性长，结构复杂，强度较差，只适合于实验室内使用。
(d)热释电型传感器
热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外线辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。所以，必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断的引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。
(2)光子传感器
光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利
用光子效应所制成的红外传感器。统称光子传感器。光子传感器的主要特点灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率。但其一般须在低温下工作，探测波段较窄。
按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电传感器两种，后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。
(a)外光电传感器
当光辐射在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大时，就能使材料的电子逸出表面，这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。它的响应速度比较快，一般只需几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。
(b)光电导传感器
当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫光电导现象。利用光电导现象制成的传感器称为光导传感器，如硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲隔汞等材料都可制光电导传感器。使用光电导传感器时，需要制冷和加一定的偏压，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄，以致使红外线传感器损坏。
(c)光生伏特传感器
当红外辐射照射在某些半导体材料的PN结上时，在结内电场的作用下，自由电子移向N区，如果PN结开路，则在PN结两端便产生一个附加电势，称为光生电动势。利用这个效应制成的传感器或PN结传感器。常用的材料为砷化铟、锑化铟、碲化汞、碲锡铅等几种。
(d)光磁电传感器
当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴将向内部扩散，在扩散中若受强磁场的作用，电子与空穴则各偏向一方，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。利用此效应制成的红外传感器，叫做光磁电传感器。
光磁电传感器不需致冷，响应波段可达7μM左右，时间常数小，响应速度快，不用加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性。但其灵敏度低，
低噪声前置放大器制作困难，因而影响了使用。
1.3.3 红外线传感器的应用
红外传感器的应用主要体现在以下几个方面：
1、红外辐射计：用于辐射和光谱辐射测量
2、搜索和跟踪系统：用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对其运动进行跟踪。
3、热成像系统：能形成整个目标的红外辐射分布图像。
4、红外测距系统：实现物体间距离的测量。（利用的是红外线传播时的不扩散原理，因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线）
5、通讯系统：红外线通信作为无线通信的一种方式。
6、混合系统：是指以上各类系统中的两个活多个组合。
二、红外测距的方法和原理
2.1 几种红外测距原理及选择 2.1.1 相位测距原理
由主控振荡器 (即主振)产生的调制信号频率f ，经放大后加到Ga As 发光管，经电流调制出射红外调制光，从发射光学系统出射射向镜站的反光镜 ；经反射后，回光被接收光学系统所接收，到达硅光敏二极管 ；经过光电转换，得到高频的测距信号。为了提高相位测量的精度和仪器的稳定性，机内又设置了本机振荡器(本振)，其频率为
'
f f f ?=士 2-1 (f ?为几个千赫的中频)。利用差频原理将高频测距信号与本振信号同时输入到混频 I ，获得中频f ?的测距信号e 。但它保留着在测线上往返所形成的相位差??。与此同时，在混频I I 中，本振与主振信号不经测线直接在机内会合，从而可以得到用于比相的中频基准信号 ( 参考信号) e 。两者经过选频放大和整形后输入到检相器比相，得到相位差。最后通过运算和显示系统直接给出所测的距离值。由于受到机内光学和电子线路附加相移??的影响，事实上对测线上往返的光波所测得的结果，既包含了2S 距离上的相位差，又有机内附加相移的部分，即
2 s ???
?=?+?外 2-2
相位式红外光电测距通常由砷化镓发光二极管为载波源，中心波长一般在0.72-0.94 μm ，发出的红外线强度随注入的电信号强弱而变化。通过测量连续的调制光波在待测距离上往返后产生的相位移动量，来间接测定调制波传播的时间t ，从而求得被测距离D 。由A 点测距仪发出连续的频率固定的调制信号(一般是调幅信号)沿着待测距离传播到B 点，由B 点的反射棱镜再返回到A 点。则下图中所示的相位移，即代表调制波往返传播的距离2 D 。
图1 调制波往返的传播距离
由图1
=22(/2)=2(+)N N N N φπφπφππ+?=+?? 2-3
即
D N N /2N N πλ=+?=+?（）（） 2-4
式中，2π为一个周期的相位变化，N 为相位移中的2π的整周期数，??为不足整周期相位移的尾数；N ?为不足整周期的比例数(N /2 1)?π?=?<，λ为调制波长。由物理学可知c /f λ=，其中，c 为调制波的传播速度，f 为调制波频率。
因为 c 和f 为已知，故式2-4中的/2λ是已知的单位长度，可把它称为“电尺”。从上式可知，相位式测距的一般原理可相当于用这样的“电尺”代替钢尺量距，被测距离就等于整尺段(/2)N λ和余尺段 (/2)N λ?之和。式2-4中，/2λ为已知，而△N 由仪器测得，但仍有两个未知数D 和N 。因此用一个测尺频率测距耐，便出现多值解要解决这个问题，从原理上讲，似乎只要把“电尺”长度选择得大于被测距离D ，则式2-4变为(/2)D N λ=?，从而可变多值解为唯一解了，
这显然是不可能的。一是“电尺”不能过于长，二是一定测相精度下，“电尺”越长，其误差越大，测距精度明显降低。
2.1.2 PSD测距原理
利用三角测距原理,用一种称之为位置敏感器件(Position Sensitive Device)的PSD元件来获得二路输出信号, 根据这二路信号来获得物体的距离量值。
2.1.3 带运动机构的双象比较法原理
系统中有二套光路对被测物体成像，其中一套光路是经过可运动的反光镜获得的,接收系统及时比较二套光路来的图像, 当二者一致时, 就可根据可运动反光镜的位置来获得物体的距离信息。
2.1.4 时间差测距法原理
红外线发射器发射出频率为40kHz的红外线，经障碍物反射，红外线接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时间差t，即可求出距离s。
2.1.5 反射能量法原理
反射能量法:仪器发射一束光(通常是近红外光) 照射到被测物体表面,仪器同时接收被测物体的反射光能量, 根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离。
2.1.6 红外测距原理的选择
我们在红外测距系统就是采用反射能量法，因其结构简单、体积小、成本低,可以广泛应用于大批量生产的光机电综合产品，因此本文就此方法设计了一种红外测距系统。
2.2 红外测距系统的工作原理
本文设计基本原理是红外发射电路的红外发光二极管发出红外光，经障碍物反射后，由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否
有障碍物。根据发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强随是随反射物体的距离变化而变化的，因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。
因为红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。
三、红外测距的基本结构及系统框图
3.1红外测距的过程
红外测距的工作过程简单来讲就是瞄准目标，然后接通电源，启动发射电路，通过发射系统，像目标发射红外信号，同时，采样器采样发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，启动计数器，时钟振荡器像计数器有效的输入计数脉冲，由目标反射回来的红外线回波作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计数器的关门信号，计数器停止计数，计数器从开门到关门期间，所进入的时钟脉冲个数，经过运算得到目标距离，测距公式为：
2Ct
L
3-1
式中：L ——待测距离； c ——光速；
t ——光脉冲在待测距离上往返传输所需要的时间。
只要求出光脉冲在待测距离往返传输所需要的时间就可以通过上式求出目标距离。红外脉冲的原理与结构比较简单、测距远、功耗小。 3.2 红外测距系统框图
本设计主要由五部分组成：红外发射电路、红外接收电路、放大电路、单片机电路、译码显示电路。其工作过程图2：
图2 红外测距系统工作过程
系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫反射回来，经接收单元接收、放大整形后到距离计算单元计算完毕后显示目标物距离。
3.3 主要元件分析
3.3.1 红外线发射器件
红外线发射器件是最长用的为红外发光二极管，它与普通发光二极管的结构原理以及制作工艺基本相同，是只有一个PN结的半导体器件，只是所有的材料不同，制造红外发光二极管砷化钾，砷铝钾等，其中应用最多的是砷化钾。
红外发光二极管一般采用环氧树脂，玻璃，塑料等封装，除白色透明材料封装外，还可见到用蓝色透明材料封装的，。红外发光二极管按发光功率的大小，可分为小功率，中功率，大功率三种。另外，红外发光二极管除顶面发光型外，还有侧面发光型。小功率管一般采用全塑封装，也有部分是采用陶瓷底座，顶端用玻璃或环氧树脂透镜封装的，中大功率管一般采用带螺纹金属底座，以便安装散热片。随着发光功率得提高，相应体积的管子也增大。
红外发光二极管的主要参数
（1）正向工作电流I
是指红外发光二极管长期工作时，允许通过的最大平均电流，因为电流通过PN结时，要消耗一定的功率而引起管子发热，如管子长期超过I运行，会因过热而烧毁，因此，使用的最大平均正向工作电流不得超过I。
(2)光功率P
是指输入到发光二极管的电功率转化为光输出功率的那一部分。光功率越大，发射距离越远。
（3）峰值波长pλ
是指红外发光二极管所发出近红外光中，光强最大值所对应的发光波长，在选用红外接收管时，其受光峰值波长应尽量靠近pλ。
(4)反向漏电流r I
是指管子未被反向击穿时反向电流的大小，希望它越小越好。
（5）响应时间0t
由于红外发光二极管PN 结电容的存在，影响了它的工作频率。现在，红外发光二极管的相应时间一般为S S 7610~10--最高工作频率为几十MHZ 。 3.3.2红外线光敏二极管
我们知道半导体具有光电效应，即用光照半导体，可使半导体的电阻率发生变化。利用半导体的光电效应可以制成光电二极管，不同的半导体材料对不同波长的入射光的响应是不同的。
光敏二极管有顶面受光和侧面受光两种形式。它也是采用塑料、玻璃、环氧树脂等材料封装。
光敏二极管的主要参数 （1）光电流IL
是指在一定反向电压下，入射光强为某一定值时流过管子的电流。光敏二极管的光电流一般为几十μA ，并与入射光强成正比。
（2）暗电流ID
是指在一定反向电压下，无光照时流过管子的电流。一般在50V 反压下，ID 小于0.1μA 。
（3）反向工作电压UR
是指在无光照时，光敏二极管反向电流小于0.2μA-0.3μA 时，允许的最高反向工作电压，一般在10V 左右，最高可达几十伏。
四、红外测距硬件电路设计
4.1 单片机最小系统
M68HC11系列是motorola公司生产的8位单片机中功能最强、集成功能最全的机种。68HC11E1的一大特色是功耗低，工作电流小于15mA，有WAIT 和STOP 两种方式进行省电。M68HC11的可靠性很高，有程序自下载功能，接上串口线就可以自动下载程序。其扩展能力强。
68HC11E1由CPU、片内存储器、定时器系统、串行口、A/D、并行I/O口，中断和复位系统组成。封装如图3：
图3 M68HC11的封装图
该芯片扩展了32K的静态不挥发RAM。片内EEPROM可现场擦除和写入，可存放各种需经常修改、掉电后又不允许丢失的数据，也可存放程序。片内RAM 具有后备保护特性。其优点是既有静态RAM的速度和方便（70ns），又有EEPROM 或FlashRom的掉电不丢失性，从而能将程序和数据合用一个芯片。同时具有可
靠的上电、掉电、强静电等数据保护功能。
其控制板设计了ASBUS总线如图4：
图4 ASBUS总线图
简单类似于ISA和PCI总线。采用堆叠式的ASBUS扩展卡可以方便扩展控制板的功能。总线通常包含了几十条分立的线，每一条被赋予一个特定的含义或功能。
总线可以分成三个功能组：
数据线：数据线提供系统模块间传送数据的路径。这些线结合在一起称为数据总线。线的数目称为数据总线的宽度。
地址线：地址线用于指定数据线上数据的来源和去向。地址线的宽度决定了系统能够使用的最大的存储器容量。
控制线：控制线用来控制对数据地址线的访问和使用。由于数据线和地址，所有模块共享，因此必须用一种方法来控制他们的使用。
【特性引脚功能】
ASBUSA 和 ASBUSB 分别有 14 个信号线。
PCO-PC7：数据总线
RESET：复位信号
IRQ：外部中断输入脚
VCC： +5V 电源（负载不要超过 300MA）
Vmotor：电机电压，也即电池电压，可接较大负载
GND：地
IS0-IS3：输入选择线 0-3
OS0-0S3：输出选择线 0-3
PA1-PA2：输入捕捉口
PA3：输出比较口
PE5-PE7：模拟输入口
本设计中PE5扩展红外接收传感器。
4.2 红外发射电路设计
(a)电路组成：红外发射驱动电路是由一个简单的共射放大电路和一个作为开关的三极管电路组成的模块。电路原理如图5所示:
图5 红外发射电路
(b)电路工作原理：在共射放大电路中，红外发光二极管TLN205接于共射放大电路的集电极，与基极和发射极相接的二极管起温度补偿作用。控制管脚Vin 与68HC11E1芯片管脚Vcc相接。当控制管脚Vin有信号输入时，控制电路的三极管导通,同时整个电路导通,红外发光二极管TLN205发射出红外光。
4.3 红外接收放大电路设计
图6 红外接收放大电路
(a)电路组成:红外接收驱动电路是由红外接收管TPS708和两个电压串联负反馈模拟运算放大电路组成的模块. 红外接收驱动电路设计为两极放大是因为在许多情况下，输入信号是很微弱的，要把这样微弱的信号放大到足以带动负载，仅用一级电路放大定是做不到的，必须经多级放大，以满足放大倍数和其他性能方面的要求。
(b)电路工作原理:红外发光管TLN205发射出的红外光,在遇到前面的障碍物反射后,由红外接收管TPS708接收,此时TPS708会产生一个与光强相对应的电流。电流经由LM358 两级放大后,在输出端可以得到一个0～3V 的模拟电压,作68HC11E1 单片机模拟输入量进行A/D 转换,最后将转换结果在LED 上显示出来。
(c ）运算放大电路定量分析：我们采用负反馈模拟运算放大电路，是因为负反馈具有提高增益稳定性、展宽放大器通频带与减少非线性失真和噪音三大优点，并且负反馈还有对相应的输出量进行自动调节作用。根据闭环增益方程求f .
A 对.
A 的导数，得
2.
..
.
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A +=
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红外测距传感器：Sharp红外传感器的原理以及使用技巧 2009-02-23 21:20 在过去几年中，Sharp开发了很多种红外距离传感器。这些传感器不但体积小，功耗也很低。这篇文章就简单的介绍一下这些传感器的不同点，使用方法，接口方法以及一些使用上的小技巧。 工作原理： Sharp的红外传感器都是基于一个原理，三角测量原理。红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图1所示。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。
图1：三角测量原理 可以看到，当D的距离足够近的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当物体距离D很大时，L值就会很小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说CCD 的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测越是远的物体，CCD的分辨率要求就越高。 非线性输出： Sharp GS2XX系列的传感器的输出是非线性的。没个型号的输出曲线都不同。所以，在实际使用前，最好能对所使用的传感器进行一下校正。对每个型号的传感器创建一张曲线图，以便在实际使用中获得真实有效的测量数据。下图是典型的Sharp GP2D12的输出曲线图。 图2：Sharp GP2D12输出曲线 从上图中，可以看到，当被探测物体的距离小于10cm的时候，输出电压急剧下降，也就是说从电压读数来看，物体的距离应该是越来越远了。但是实际上并不是这样的，想象一下，你的机器人本来正在慢慢的靠近障碍物，突然发现障碍
红外线传感器工作原理和技术参数 人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为～μm；紫光的波长范围为～μm。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线 最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛，下面结合几个实例，简单介绍一下红外线传感器的应用。 人体热释电红外传感器和应用介绍 被动式热释电红外探头的工作原理及特性： 一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。 1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。 2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。 3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。 5)菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。 在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。 红外线遥控鼠标器中的传感器 在机械式鼠标器底部有一个露出一部分的塑胶小球,当鼠标器在操作桌面上移动时，小球随之转动，在鼠标器内部装有三个滚轴与小球接触，其中有两个分别是X轴方向和Y轴方向滚轴，用来分别测量X轴方向和Y轴方向的移动量，另一个是空轴，仅起支撑作用。拖动鼠标器时，由于小球带动三个滚轴转动，X轴方向和Y轴方向滚轴又各带动一个转轴（称为译码轮）转动。译码轮(见图1)的两侧分别装有红外发光二极管和光敏传感器，组成光电耦合器。光敏传感器内部沿垂直方向排列有两个光敏晶体管A和B，如图2所示。由于译码轮有间隙，故当译码轮转动时，红外发光二极管发出的红外线时而照在光敏传感器上，时而被阻断，从而使光敏传感器输出脉冲信号。光敏晶体管A和B被安放的位置使得其光照和阻断的时间有差异，从而产生的脉冲A和脉冲B有一定的相位差，利用这种方法，就能测出鼠标器的拖动方向 照相机中的红外线传感器――夜视功能 红外夜视，就是在夜视状态下，数码摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，关掉红外滤光镜，不再阻挡红外线进入CCD，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。索尼数码摄像机首创了红外线夜视摄影功能，能够在全黑环境下进行拍摄，甚至连肉眼也不能分辨清楚的物体，现在也可以清晰地拍摄下来。这种夜视的特点是可以在完全没有光线的条件下进行拍摄，但由于采用的是红外摄影，无法进行彩色的还原，所以拍摄出来的画面是单色的，影像会变绿。不久之后，索尼又推出了拥有超级红外线夜视摄功能的数码摄像机，红外线功能的慢速快门为2段选择，超级红外线夜摄功能的慢速快门为自动调节，可以获得更好的影像效果。举一个大家都见过的例子，在美国空袭伊拉克时，
自制一个由你掌控的 —— 超声波测距传感器（硬件篇） 一、背景 四年多前，我曾尝试自己制作一个超声波测距传感器。 当时是想为 LEGO 的 RCX 配套，因为我是Semia 的技术支持，那时RCX 还没有配置任何测距传感器。由于可查阅的资料有限，且不详细，最后以失败告终 /（也许在网络搜索上我属于“菜鸟”）。 为了达到目的，只好选用了 Sharp 公司的 GP2D12。但自制超声波测距传感器的愿望一直没被遗忘。一是觉得超声波用于测距从原理上讲应该效果不错（GP2D12的测距范围太小，只有 10 — 80 cm）；二是市售成品不够灵活，为了适应它还得做转换接口，费力耗财。 前段时间协助一个单位搞项目，涉及到超声波测距；有幸的是解剖了一款进口的超声波测距传感器 —— SensComp公司的6500，使我对相关原理和技术有了比较透彻的了解。 本想项目结束后立刻动手设计一个自己的传感器，后因忙于“圆梦小车”耽搁了。 现在圆梦小车已初具雏形，可以腾出一点时间，而且小车也需要一些传感器与之配套，便着手实现了这个夙愿。
基于嵌入之梦工作室的宗旨 —— 为学习单片机的大学生服务，将设计和制作的细节与大家分享，希望能有助于读者做出属于你自己的超声波传感器，也让和我有类似想法的人不至于再次失望于网络。 二、需求分析 ?能在测距范围上弥补 GP2D12 的不足，将距离延伸到 80cm以外； ?可以提供给大学生和爱好者 DIY，具有学习功能； ?方便自己随时修改程序，使学习的作用得以充分发挥； ?成品具有一定的使用价值，可方便的应用于小车等需要测距的装置上。 三、概要设计 总体设计参照 SensComp公司（https://www.doczj.com/doc/5e11958598.html,）6500测距模块，其核心是两片专用的超声波测距IC：TL851和TL852。 TL852是一片专门设计用于超声波接收、放大、检测的芯片，集成了可变增益、选频放大器，可通过四根控制线变换11级增益，对于检测超声波信号十分有效。 TL851 与TL852 配套，它可实现超声波发射及控制TL852的增益变换，通过定时控制增益，使TL852的增益与回波时间相匹配，一方面提高了检测的灵敏度，同时减小了干扰。 如果不能随时间变换增益，为增加检测距离，就需要加大灵敏度；而开始时灵敏度就很高，无疑会收到一些不想要的信号。（6500测距模块的相关资料及芯片资料见附件） 解剖此模块时，对TL852的功能十分感兴趣，当初我制作时就是“栽”在这个环节；而TL851的功能基本属数字控制范畴，输出还需要配合单片机才能得到结果，接口也不是十分灵活，笔者认为完全可以用单片机替代。 所以，本次设计的主要改变就是用单片机替换6500模块的TL851。 单片机还是选用圆梦小车所用的STC12系列，一是考虑是51兼容，符合国内多数教材；二是下载程序方便。此次选用的是 STC12LE4052（4K FlashROM，256 RAM）。考虑体积因素，选择了SOP20封装。
武汉大学珞珈学院本科生毕业论文（设计）开题报告 论文题目：基于单片机的红外测距系统设计 系：电子信息科学系学号： 20100802041 姓名：钱源 一、论文选题的目的和意义 红外线是不可见光，是电磁波的一种形式，可以用来进行距离的测量，其应用历史可以追溯到上世纪60年代。现代科学技术的发展进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。由于受恶劣的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用组件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性—反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。另外红外测距的应用越来越普遍。在很多领域都可以用到红外测距仪。红外测距一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。 红外测距的研究就非常有意义了。红外线测距仪指的就是激光红外线测距仪,红外测距仪----用调制的红外光进行精密测距的仪器，测程一般为1-5公里。在100米以内则超声波测距更有优势,但是超声波测距的距离一般无法测量1米以内,而红外测距则可以这一段距离的不足,而且有着不错的精度,在本课题中研究的就是这一类情况的红外线测距。 二、国内外关于该论题的研究现状和发展趋势 （1）国内： 根据《国内近年来红外光电测距仪的发展情况》，随着国家对外开放政策的实施和测量工作的需要,近年来国内一些光学仪器厂和电子仪器厂分别从瑞典、瑞士和日本等国引进几种红外测距仪组装线,组装测距仪,我国有关工厂和院校近年来也研制出一些产品。由于微处理机在国产测距仪上的应用,大大缩小了仪器的体积,同时也减少了出故障的几率,使得国产测距仪的性能和质量都较过去有很大的提高。在国家“六·五”计划攻关中,常州第二电子仪器厂研制的DCHZ 型多功能红外测距仪就是一个很好的例证。该产品经国家测绘局测绘科学研究所光电测距仪检测巾心进行全面质量鉴定后认为:该仪器外型美观、体积小、重量
红外测距传感器的原理与设计 摘要：现代科学技术的发展，进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。为了实现物体近距离、高精度的无线测量，我采用红外发射接收模块作为距离传感器，单片机作为处理器，编写A/D转换、显示以及与PC机的通信程序，开发了一套便推式的红外距离测量系统，系统可以高精度的实时显示所测的距离，并且可以将距离量通过串口发送到PC机显示处理、本系统结构简单可靠、体积小、测量精度高、方便使用，另外本系统形成了一套完善的软硬件开发平台，可以进行扩展、移植和做进一步的开发。 关键词：红外测距；68HC11E1；A/D转换；
目录 一、绪论 (1) 1.1设计背景 (1) 1.2红外线简介 (1) 1.3红外线传感器概述 (2) 1.3.1 红外线传感器系统介绍 (2) 1.3.2 红外线传感器的分类 (4) 1.3.3 红外线传感器的应用 (7) 二、红外测距的方法和原理 (8) 2.1几种红外测距原理及选择 (8) 2.1.1 相位测距原理 (8) 2.1.2 PSD测距原理 (11) 2.1.3 带运动机构的双象比较法原理 (11) 2.1.4 时间差测距法原理 (11) 2.1.5 反射能量法原理 (11) 2.1.6 红外测距原理的选择 (12) 2.2红外测距系统的工作原理 (12) 三、红外测距的基本结构及系统框图 (13) 3.1红外测距的过程 (13) 3.2红外测距系统框图 (14) 3.3主要元件分析 (14) 3.3.1 红外线发射器件 (14) 3.3.2红外线光敏二极管 (15) 四、红外测距硬件电路设计 (17) 4.1单片机最小系统 (17) 4.2红外发射电路设计 (19) 4.3红外接收放大电路设计 (21) 4.4电源电路 (23) 4.5数码管显示电路 (27) 五、软件模块设计 (28) 5.1程序设计步骤 (28) 5.2软件设计框图： (29) 5.3红外测距A/D转换程序 (29) 六、测量精度分析 (31)
光电传感器工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
工作原理 摘要： 光电传感器是利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号从而检测被测目标的一种装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温和气体成分等；也可用来检测能转换成光量的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度和加速度，以及物体形状、工作状态等。光电式传感器具有非接触，响应快，性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 关键字：光电元件、检测技术、传感器、应用 一、光电传感器工作原理 光电式传感器的物理基础是光电效应,即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类,即外光电效应和内光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值 (相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。由E =hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样, 所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功W是使电子脱离金属所要做功的最小值,所以如果用E 表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式E =hn-W (其中,h表示普兰克常量,n表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。
信息工程学院实验报告 课程名称： 传感器原理及应用 实验项目名称： 实验二 红外测距传感器实验 实验时间： 班级： 姓名： 学号： 一、实 验 目 的 1. 学习 CC2530 单片机 ADC 模块的使用。 2. 学习红外测距传感器的使用。 二、实 验 原 理 1. CC2530 节点与红外测距传感器的硬件接口 红外线测距传感器模块GP2Y0A21YK0F
(1). 红外测距传感器模块(GP2Y0A21YK0F)引脚 OUT：模拟量输出接口(AD 模块) GND：外接GND VCC：数字量输出接口(0 和1) 外接5V 电源 (2). 传感器模块与CC2530 模块之间的连接 2. ADC (1). 简介 CC2530单片机的ADC支持多达14位的模拟数字转换，具有多达12位的ENOB（有效数字位）。它包括一个模拟多路转换器，具有多达8个各自可配置的通道；以及一个参考电压发生器。转换结果通过DMA写入存储器。还具有若干运行模式。ADC模块的方框图如下所示： ADC的主要特性如下：
●可选的抽取率，这也设置了分辨率（7到12位） ●8个独立的输入通道，可接受单端或差分信号 ●参考电压可选为内部单端、外部单端、外部差分或A VDD5 ●产生中断请求 ●转换结束时的DMA触发 ●温度传感器输入 ●电池测量功能 (2). 寄存器简介 本次实验中主要涉及到ADC模块的寄存器：
数据的换算： 例如：在CC2530 中配置ADC 的参考电压为A VDD5(3.3V)，抽取率为512(12 位有效数据)，由于在实验中采用单端转换方式，所以实际数据只有11 位。这时，ADC 采集到的数据记为x,则 ADC采集数据转换为电压(单位：V)：V = x * 3.3 / 2048 3. GP2Y0A21YK0F 红外测距传感器 (1). 概述 夏普GP2Y0A21YK0F 测距传感器是基于PSD 的微距传感器，其有效的测量距离在80cm 内，有效的测量角度大于40 度，输出信号为模拟电压，在0 到8cm 左右的范围内与距离成正比非线性关系，在10-80cm 的距离范内成反比非线性关系，平均功耗为30mA，反应时间约为5ms，并且对背景光及温度的适应性较强。GP2Y0A21YK0F 传感器的默认的测距分辨率为1mm。
单片机、传感器、印制电路板 课程整合实训 电子产品设计与制作 技术报告 （2013——2014 学年第二学期） 项目名称：超声波测距仪设计 指导教师：卢建声,曾庆波,代瑶 专业：微电子技术 班级：12微电子 组长：张哲铭 组员：高金阁,李雨泽,苏程龙黑龙江信息技术职业学院·电子工程系
目录 任务书...................................................................... 错误！未定义书签。 一、工作任务 ................................................................. 错误！未定义书签。 二、工作目标 (3) 三、主要设计内容 (3) 1.原理设计 (3) 2.原理框图 (3) 3原理图 (4) 4元件清单 (4) 五、提交成果 ................................................................. 错误！未定义书签。 一、原理设计与技术路线 .............................................. 错误！未定义书签。 1、原理图绘制......................................................... 错误！未定义书签。 2、PCB图绘制.......................................................... 错误！未定义书签。 3、单元电路设计..................................................... 错误！未定义书签。 4、整机设计 ............................................................ 错误！未定义书签。 (5) (6) 六、总结报告 (10) 附录 (13) 超声波测距仪设计
工作原理 摘要： 光电传感器是利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号从而检测被测目标的一种装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温和气体成分等；也可用来检测能转换成光量的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度和加速度，以及物体形状、工作状态等。光电式传感器具有非接触，响应快，性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 关键字：光电元件、检测技术、传感器、应用 一、光电传感器工作原理 光电式传感器的物理基础是光电效应,即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类,即外光电效应和内光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值(相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。由E =hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样,所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功W是使电子脱离金属所要做功的最小值,所以如果用 E 表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式E =hn-W (其中,h表示普兰克常量,n表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。 如
光电检测技术与应用 论文 题目：红外测距传感器的工作原理及使用 院系：机电工程学院 班级：测控xxxx 完成日期：2017/5/6 小组：第x组 小组成员：xxxxxxxxxx 红外测距传感器的工作原理及使用 摘要： 利用光的反射性质，将光学系统与电路系统相结合可以制作避障传感器，通过单片机的控制，可以完成智能车在运行过程中，对障碍物的处理。避障传感器基本原理：利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调车轮或者舵机工作，完成躲避障碍物的动作。 关键字：光电检测技术、智能车、测距、红外测距传感器、单片机 一、引言 光电检测作为光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术，主要包括光信息获取、光电变换、光信息测量以及测量信息的智能化处理等，具有精度高、速度快、距离远、容量大、非接触、寿命长、易于自动化和智能化等优点，在国民经济各行业中得到了迅猛的发展和广泛的应用，如光扫描、光跟踪测量，光纤测量，激光测量，红外测量，图像测量，微光、弱光测量等，是当前最主要和最具有潜力的光电信息技术。
二、光电检测技术的概念 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高测系统输出信号的信噪比。 光电检测技术的系统机构比较简单，分为信号的处理器，受光器，光源。在实际检测过程中，受光器在获得感知信号后，就会被反映为不同形状、颜色的信号，同时根据这些器件所处在的不同位置，就能够将他分为反射型与透过型的两种比较的模式。光电检测的媒介光应当是自然的光，例如白炽灯或者萤光灯。特别是随着这些技术的发展，光电技术也取得的非常好发展。由于投光器在发出光后，会以不一样的方式触摸这些被检测物中，直到照射到检测系统中的受光器中，同时受光器在此刺激下，会产生一定量的电流，这就是我们常说的光敏性的原件，实际生活中应用比较广泛的有三极管、二极管。 三、光电检测技术的应用 智能车方面的应用、家庭扫地机器人方面的应用:利用光的反射性质，将光学系统与电路系统相结合可以制作避障传感器，通过单片机的控制，可以完成智能车在运行过程中，对障碍物的处理。避障传感器基本原理：利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调车轮或者舵机工作，完成躲避障碍物的动作。 四、常用光电检测器件：红外测距传感器 原理：其输出为电压数值，通过公式L?=?(6762/(9-X))-4可计算出小车与障碍物之间的距离。
光电传感器原理 2007年05月21日星期一13:44
1.光电传感器原理 光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜μA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度 2.光电传感器应用 光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测 物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽 灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。 LED（发光二极管） 发光二极管最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED 的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。不象白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的 一部分。（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。 经调制的LED传感器 1970年，人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点，就是它能够以非常快的速度来开关，开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发
测距传感器编辑 本词条缺少信息栏、名片图，补充相关内容使词条更完整，还能快速升级，赶紧来编辑吧！超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 目录 1分类 2原理 3应用 1分类 编辑 超声波测距传感器 激光测距传感器 红外线测距传感器 24GHZ雷达传感器 2原理 编辑 超声波测距传感器原理： 超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质 24GHZ雷达传感器RFbeam 或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。激光测距传感器工作原理： 激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。 红外线测距传感器工作原理： 红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化 24GHZ雷达测距传感器原理： FSK测运动物体[1] FMCW测静止和运动物体 [1]
光电传感器工作原理 电子电路 2008-05-31 22:27 阅读6004 评论3 字号：大中小 本文来源网络 光电传感器工作原理 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成 它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装
置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。分类和工作方式⑴槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。⑵对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。⑶反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找
2019年4月基于STM32的电涡流测距传感器设计 伍凯（安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖241000；合肥芯碁微电子装备有限公司，安徽合肥230000） 【摘要】电涡流式传感器是一款很经典的非接触式测量传感器。它具有灵敏度高，对使用环境抗干扰力强等优点，在很多行业都得到广泛的应用。本文介绍一种以STM32处理器为核心的电涡流传感器设计方案，可以将测量的数值直接显示出来，使得电涡流传感器更加数字化和智能化。 【关键词】电涡流传感器；STM32处理器；数字化；智能化 【中图分类号】TP212【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2019）04-0250-02 1引言 电涡流的物理现象由来已久,很早就已经有人对其进行研究。近代以来,随着电子技术的快速发展,对电涡流效应的应用也上了一大台阶,形成了一种新型的非接触式测量传感器,即电涡流式传感器,它能非接触、高性能的测量被测金属导体距探头表面的距离。近些年以来,电子技术的发展日新月异,各种各样的应用让人眼花缭乱,特别是出现了以微处理器为核心的结合了模数电路的一种新型的电涡流测量系统,使得传感器更加的数字化,方便了在实际中的使用。 本次设计的电涡流传感器包括信号发生模块,信号采集模块,STM32嵌入式处理器,人机交互模块等。用最小二乘算法拟合模数转换器输出的电信号与测量距离之间的函数关系,结合实验数据推导出多项式方程,并将该方程存储于STM32处理器中;软件部分通过KeiluVision4编程实现。 2电涡流测距传感器的工作原理 在给传感器测量系统通电后,传感器的前置器内会产生一个高频激励信号I1,该激励信号传递给探头的信号发射线圈后,会在探头的线圈附近产生一个交变磁场H1。在该线圈下方放置一个金属导体,根据法拉第电磁感应定律,产生的交变磁场H1会在该金属导体的表面产生一个感应电流I2,这种现象便称为电涡流现象,新产生的电涡流I2也会产生新的交变磁场H2,其方向与H1的方向相反。这种新产生的H2对交变磁场H1的反作用,会使得电涡流传感器线圈的高频电流的幅度和相位发生很大程度的改变。这种变化与金属导体的电导率σ、磁导率μ、激励电流频率f、线圈尺寸r、电流强度I以及线圈到金属导体的距离x有关。实际测量中,所有参数保持不变,每次只改变其中某一个参数,则可得到阻抗Z与该参数间的唯一对应函数关系,再使用对应公式计算出该参数,其表达式为:Z=F(μ,σ,x,r,I,f)。 3测距传感器函数关系的确立 3.1概述 主要是确立模数转换器输出的电信号与探头所测得的距离之间的函数关系的确立,通过理论推导与大量实验数据相结合拟合出所需的函数关系方程,再将确立的函数方程存储到单片机中。 3.2最小二乘法建模原理 最小二乘法是一种简便的数学算法。在数学中通过误差平方使误差达到最小值与寻找数学函数最佳的数据相匹配。我们可以通过最小二乘法的方法可以快速得到解得未知的数据与函数,并且使解得的数据结果与所求实际的数学函数数据结果两者之间的误差平方和达到函数最佳的值。 实际测量中,得到的一系列离散型数据(x1,y1),(x2, y2)......(x m,y m)建立这些离散数据的数学函数模型,确立离散数据的函数关系为y=f(x),其中y a为函数的输出值,x a为函数的被测值。从这些数据中可以找出n次多项式: P(x)=h0+h1x+h2x2+…+h n x n(n 光电开关工作原理NPN与PNP传感器差异 红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380n m-780n m，发射波长为780n m-1m m的长射线称为红外线，省洞头县光电开关厂生产的红外线光电开关优先使用的是接近可见光波长的近红外线。 红外线光电开关（光电传感 器）属于光电接近开关的简称，它是利 用被检测物体对红外光束的遮光或反 射，由同步回路选通而检测物体的有 无，其物体不限于金属，对所有能反射 光线的物体均可检测。根据检测方式的 不同，红外线光电开关可分为 1.漫反射式光电开关 漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传 感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发 射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产 生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率 极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。 引起理想漫反射的光度分布 局部较强漫反射时的光度分布 2.镜反射式光电开关 镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。 3.对射式光电开关 对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。 4.槽式光电开关 槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。 5.光纤式光电开关 光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 型号说明 光电传感器的原理及应用 光电传感器的原理与应用 学院： 班级： 学号： 姓名： 指导老师： 电感式传感器的原理及应用 摘要：将被测量变化转换成电感量变化的传感器，称为电感式传感器。电感它利用电磁感应原理将被测非电量(位移、压力、流量、振动等)转换为线圈自感系数L 或互感系数M 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。其工作流程图如下所示： 关键字：电感测微仪、原理、应用，发展 正文： 1.电感式传感器的原理、组成及特点 电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。 电感式传感器具有以下特点：（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。 （3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%-0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。 2.电感式传感器的类别及其在实际生活中的应用 常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 1、变间隙型电感传感器 这种传感器的气隙δ随被测量的变化而改变,从而改变磁阻。原理图如下所示： 输入量（温度、 压力等） LC 振荡 电路 测量电路 输出（电压、电 流的变化量） 1 概述 随着时代的不断进步,人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求,尤其是在家居安全方面,不得不时刻留意那些不速之客?现在很多小区都安装了智能报警系统,因而大大提高了小区的安全程度,有效保证了居民的人身财产安全?由于红外线是不可见光,有很强的隐蔽性和保密性,因此在防盗?警戒等安保装置中得到了广泛的应用?此外,在电子防盗?人体探测等领域中,被动式热释电红外探测器也以其价格低廉?技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎? 目前国内使用的各类防盗?保安报警器基本都是以超声波?主动式红外发射/接收以及微波等技术为基础?而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件——热释电红外传感器?这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号,同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物?热释电红外传感器既可用于防盗报警装置,也可以用于自动控制?接近开关?遥测等领域?用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比,具有如下特点: ●不需要用红外线或电磁波等发射源? ●灵敏度高?控制范围大? ●隐蔽性好,可流动安装? 2 热释电红外传感器的原理特性 热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器?不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶,其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂?硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成,其极化随温度的变化而变化?为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式,因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出?热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换?由于热电元输出的是电荷信号,并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达104MΩ,故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换?热释电红外传感器由传感探测元?干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成?设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片,并在它的两面镀上金属电极,然后加电对其进行极化,这样便制成了热释电探测元?由于加电极化的电压是有极性的,因此极化后的探测元也是有正?负极性的? 图1是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图?使用时D端接电源正极,G 端接电源负极,S端为信号输出?该传感器将两个极性相反?特性一致的探测元串接在一起,目的是消除因环境和自身变化引起的干扰?它利用两个极性相反?大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿?对于辐射至传感器的红外辐射,热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上,从而使传感器输出电压信号? 制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料,它的探测波长范围为0.2~2 0μm?为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度,该传感器在窗口上加装了一块光电开关工作原理NPN与PNP传感器差异
光电传感器的原理及应用
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