1、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
2、，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（L
3、M339 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*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 Vi0),再与另一个设定值(驱动 =LED收端: 光电管=( 放大)=高通=过门限检测=2051关键的问题是怎样判断是否有反射。比如向发光管发送一串 8bit 的随机数，从接收管读出，如果相符，说明有反
4、射；如果无关（具体判断的算法有待设计）说明无反射；如果部分相关，则保持原状。具体算法的实现可能要设计一个较为简单快速的判断相关度的程序。七 使用 ADC 的传感器电路这种方案就是让发光管亮灭交替,用 ADC（模数转换器）分别检测亮暗时光电流的值,然后送到单片机进行相减，再根据某些标准进行判断。这样，就抵消了环境噪声，消除了干扰。光电管的饱和问题仍旧是这个电路的问题，并且，当干扰频率接近发光管调制频率时会产生差拍或出错。下图是一个利用 ADC 做的 RGB 三分量颜色传感器电路：89C2051 作为主控，控制红绿蓝三个发光管依次点亮，一个周期分别是红，绿，蓝，全灭。在每次改变之前，对光电管进行
5、ADC 采样，读取相关颜色的分量，分别是红，绿，蓝，暗分量，然后用三原色分量分别减去暗分量，这样就消除了环境光的干扰。最后通过相应的算法，判断出反光物的颜色。八 模拟差动放大型传感器电路（方案）脉冲源 发光管 光电管 二选一模拟多路开关保持保持差放比较 基准输出类似于使用 ADC 的方案，该方案也是对亮暗分别采样。但不同的是，该方案采用了采样保持和模拟相减。运放作为差动放大，有良好的共模抑制，不会像 ADC 那样为减小饱和，照顾大的共模信号而扩大量程降低精度。因此该方案可以兼顾饱和现象和灵敏度，解决了这一矛盾。对于较快的采样，可以简单的使用高输入阻抗的运放本身加一个小电容进行保持。缺点是仍不能
6、抑制高频干扰。九 使用 D 触发器进行边沿检测的传感器电路也是让发光管亮暗交替,但亮的时间很短,电流很大,亮度很高,把接收端门限调的很高,然后用 D 触发器进行边沿检测。这样可以屏蔽外界一般强度光（可以是高频的）的干扰，而耗电不会增加。但如果使用简单的比较型电路，加大电流就会增大功耗，甚至烧毁发光管。十 下图是一个成品光电开关,就是光电管=两级交流放大=CD4013 检测 这种方式的,CD4013 的另一个单元 D 触发器作方波振荡源,通过驱动电路带动 LED。可以看出，LED 的限流电阻是 20 欧，短时间通过 LED 的电流很大。传感器的输出接口问题TTL 电压工作的推挽输出传感器接 5V
7、 电源的单片机TTL 电压工作的传感器可以直接输出到单片机，但为了避免不慎从单片机该端口输出低电平，可以在传感器和单片机之间接一个 1K 左右的电阻。开路输出的传感器接 51 单片机如果完全开路输出，可以直接接到单片机上，如果使用 P0 口应该加上拉电阻；如果传感器内置上拉电阻而且高电平时高于 5V，可以从单片机到传感器端口接一个肖特基二极管，防止高压灌入单片机。上面图中的成品传感器就是这种接口的。非 TTL 电压推挽输出的传感器接 51 单片机这种接口的基本做法就是串入电阻进行限流防止输出冲突；单片机端用稳压二极管进行限压防止输入过压。这 3 种情况如下图所示：反射式光电传感器探头的制作1.
8、发光二极管（LED）的介绍做传感器的 LED 要求亮度高，颜色合适，光斑形状合适。为了防止 LED 损坏,应该注意:1.LED 的伏安特性曲线很陡,测试和使用时一定要串联电阻限制电流. 2.氮化镓材料的高亮度 LED 容易被反向电压,静电或电源尖峰击穿损坏,电源电压较高时不可反接.不同的管子允许的工作电流不同。红外的平均电流最大可以用到 100 毫安，用作调制时几十微秒的窄脉冲峰值甚至可以接近 1 安。3 毫米的白色高亮度管子持续最大电流 20 毫安，一般低亮度的管子要小一些。工作电流的限制一是发热限制平均电流，二是高电流下亮度饱和限制峰值电流。有些管子电流大了之后还会变色。常用的 LED 有
9、红外，红，橙，黄，黄绿，纯绿，蓝，紫，紫外，白等颜色。作为成品销售的“变色LED”是在一个管壳（通常是乳白色的，用于使光线混合均匀）里封装了多个不同颜色的 LED，红，绿，蓝三色的 LED 非常适合作颜色传感器的照明。红外线 LED 配合红外接收管抗干扰能力强，但是不适合用于识别颜色，因为物体在可见光下的颜色不能很好的代表它对于红外线的反射率。验钞用的管子发光含有紫色光和紫外线，点亮时不要正对着眼睛长时间观看。更适合做传感器。 （颜色识别时，乳白色管壳比无色透明管壳还要好。 ）管壳有色的管子适合管壳无色透明的管子透光性能好一些，散射小，做指示灯。直径 5 毫米的管子品种较多，亮度较高，发出的光束比直径 3 毫米的管子要集中（顶角小） ，照在物体上光斑小，更适合用来识别白线。LED 的伏安特性曲线很陡,可以作稳压用,给电路提供基准电压.红色的大约 1.8V,蓝色的可以超过 3V。各种 LED 的材料，颜色与亮度：LED 发光的原理是半导体 PN 结中的电子与空穴复合时产生光子。不同的材料由于能带宽度不同,导
