紅外避障傳感器的工作原理

　　紅外避障主要是以紅外測(cè)距傳感器為主。

　　紅外測(cè)距都是采用三角測(cè)距的原理。紅外發(fā)射器按照一定角度發(fā)射紅外光束，遇到物體之后，光會(huì)反向回來，檢測(cè)到反射光之后，通過結(jié)構(gòu)上的幾何三角關(guān)系，就可以計(jì)算出物體距離D。

　　當(dāng)D的距離足夠近的時(shí)候，上圖中L值會(huì)相當(dāng)大，如果超過CCD的探測(cè)范圍，這時(shí)，雖然物體很近，但是傳感器反而看不到了。

　　當(dāng)物體距離D很大時(shí)，L值就會(huì)很小，測(cè)量量精度會(huì)變差。因此，常見的紅外傳感器 測(cè)量距離都比較近，小于超聲波，同時(shí)遠(yuǎn)距離測(cè)量也有最小距離的限制。另外，對(duì)于透明的或者近似黑體的物體，紅外傳感器是無法檢測(cè)距離的。

　　LM393紅外避障傳感器模塊電原理圖

　　模塊描述

　　該傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，有效距離范圍2～30cm，工作電壓為3.3V-5V。該傳感器的探測(cè)距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)及黑白線循跡等眾多場(chǎng)合。

　　模塊參數(shù)說明

　　1 當(dāng)模塊檢測(cè)到前方障礙物信號(hào)時(shí)，電路板上綠色指示燈點(diǎn)亮電平，同時(shí)OUT端口持續(xù)輸出低電平信號(hào)，該模塊檢測(cè)距離2～30cm，檢測(cè)角度35°，檢測(cè)距離可以通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離增加；逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離減少。

　　2、傳感器主動(dòng)紅外線反射探測(cè)，因此目標(biāo)的反射率和形狀是探測(cè)距離的關(guān)鍵。其中黑色探測(cè)距離小，白色大;小面積物體距離小，大面積距離大。

　　3、傳感器模塊輸出端口OUT可直接與單片機(jī)IO口連接即可，也可以直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)5V繼電器；連接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO

　　4、比較器采用LM393，工作穩(wěn)定；

　　5、可采用3-5V直流電源對(duì)模塊進(jìn)行供電。當(dāng)電源接通時(shí)，紅色電源指示燈點(diǎn)亮；

　　6、具有3mm的螺絲孔，便于固定、安裝；

　　7、電路板尺寸：3.2CM*1.4CM

　　8、模塊已經(jīng)將閾值比較電壓通過電位器調(diào)節(jié)好，非特殊情況，請(qǐng)勿隨意調(diào)節(jié)電位器。

　　模塊接口說明

　　1 VCC 外接3.3V-5V電壓（可以直接與5v單片機(jī)和3.3v單片機(jī)相連）

　　2 GND 外接GND

　　3 OUT 小板數(shù)字量輸出接口（0和1）

　　4.工作電流是10ma以內(nèi)

　　如圖所示壁障傳感器模塊:

　　紅外傳感器避障模塊電路圖

　　在智能小車制作中經(jīng)常會(huì)用到紅外傳感器避障模，這里介紹一款智能小車制作時(shí)常用的紅外傳感器避障模，模塊是由LM567電路組成，LM567電路是一片鎖相環(huán)電路，采用8腳雙列直插塑封。其⑤、⑥腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f。

　　其中心頻率f由R、C決定： f=1/（1.1*RC）

　　在電路中，因?yàn)榧t外發(fā)射器的起振頻率是 38KHz，其中電容選擇103，所以由以上公式可得 R=2.4KΩ 。

　　在電路中僅利用了LM567接收到相同頻率的載波信號(hào)后⑧腳電壓由高變低這一特性，來形成對(duì)控制對(duì)象的控制。

　　D1發(fā)射紅外線，D2接收紅外信號(hào)。LM567第⑤、⑥腳為譯碼中心頻率設(shè)定端，一般通過調(diào)整其外接可變電阻W改變捕捉的中心頻率。圖中紅外載波信號(hào)來自LM567的第5角，也即載波信號(hào)與捕捉中心頻率一致，能夠極大的提高抗干擾特性。

　　感器避障模塊LM567的電路圖，如圖11，LM567的①、②腳通常分別通過一電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)。②腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。①腳所接電容的容量應(yīng)至少是②腳電容的2倍。③腳是輸入端，要求輸入信號(hào)≥25mV。⑧腳是邏輯輸出端，其內(nèi)部是一個(gè)集電極開路的三極管，允許最大灌電流為100mA。LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。

　　在選擇紅外發(fā)射接收電路電子小制作中，有四個(gè)方案可以選擇，并且都做了PCB進(jìn)行調(diào)試比較。

　　方案一： 利用40KHz的晶振作為紅外發(fā)射器的震蕩源。通過示波器觀察，波形非常準(zhǔn)確完整，由于紅外接收的頻率一般是38KHz，雖然晶振的頻率可以通過可調(diào)電阻微調(diào)。但是還是很難匹配，每次試驗(yàn)時(shí)都要微調(diào)。所以不選擇這個(gè)方案。

　　方案二： 如前所述，使用三腳的紅外接收器，但是接收器自備了選頻和解調(diào)能力，很難用單片機(jī)對(duì)其接收信號(hào)進(jìn)行判斷。所以不選擇這個(gè)設(shè)計(jì)方案。

　　方案三：用高速CMOS型四重二輸入“與非”門74HC00組成RC震蕩電路作為頻率發(fā)生器，波形也準(zhǔn)確完整，但是難匹配。所以不選擇這個(gè)方案。

　　方案四：選用通用音調(diào)譯碼器LM567的5輸出38KHz頻率，其特點(diǎn)是紅外線發(fā)射部分不設(shè)專門的信號(hào)發(fā)生電路。8腳輸入紅外接收器接收到的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是鎖相音頻譯碼器的鎖相中心頻率，這樣既簡(jiǎn)化了線路和調(diào)試工作，又防止了周圍環(huán)境變化和元件參數(shù)變化對(duì)收發(fā)頻率造成的差異，實(shí)現(xiàn)了紅外線發(fā)射與接收工作頻率的同步自動(dòng)跟蹤，使電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大加強(qiáng)。本設(shè)計(jì)中就是利用此方案最終實(shí)現(xiàn)避障功能。

　　這個(gè)電子小制作電路的特點(diǎn)是紅外線發(fā)射部分不設(shè)專門的信號(hào)發(fā)生電路。而是直接從接收部分的檢測(cè)電路LM567的5腳引人信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是鎖相音頻譯碼器的鎖相中心頻率，這樣既簡(jiǎn)化了線路和調(diào)試工作，又防止了周圍環(huán)境變化和元件參數(shù)變化對(duì)收發(fā)頻率造成的差異，實(shí)現(xiàn)了紅外線發(fā)射與接收工作頻率的同步自動(dòng)跟蹤，使電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大加強(qiáng)。

　　LM567的5腳輸出的38KHz中心頻率輸出給三極管Q1，經(jīng)過三極管放大，信號(hào)輸出給紅外發(fā)射器J2，可調(diào)電阻R3可以改變其發(fā)射功率。信號(hào)由紅外接收器J3接收，經(jīng)過運(yùn)算放大器741的反相放大，信號(hào)輸出給LM567的輸入3腳，由于輸入的信號(hào)是LM567的鎖相中心頻率，所以LM567的8腳輸出由默認(rèn)的高電平變?yōu)榈碗娖?。發(fā)光二極管有了電壓差，所以信號(hào)指示燈亮，證明前方有障礙，同時(shí)8腳的信號(hào)輸出給單片機(jī)，由單片機(jī)由電平的變化去控制電動(dòng)機(jī)的工作實(shí)現(xiàn)避障。