用單片機(jī)控制紅外編碼探測障礙物

介紹使用基于單片機(jī)控制紅外編碼探測障礙的方案及實(shí)現(xiàn)的方法，以解決使用紅外線自動(dòng)感知障礙設(shè)備時(shí)出現(xiàn)的接收設(shè)備本身主動(dòng)發(fā)送信號(hào)的干擾問題。該方案已應(yīng)用于一種單片機(jī)控制的自動(dòng)給液器中，能有效抵抗干擾信號(hào)，并穩(wěn)定地運(yùn)行于各種不同的場合；該方案也可應(yīng)用在以無線電波和超聲波為介質(zhì)的障礙物測量中。

關(guān)鍵詞 單片機(jī) 紅外 編碼 探測 抗干擾

1? 探測障礙的原理

　　在室內(nèi)自動(dòng)感知障礙的設(shè)備中，常使用紅外線探測障礙物的存在與否。探測的基本原理是：在測量的范圍內(nèi)，主動(dòng)向探測方向發(fā)射紅外信號(hào)，如果存在障礙物，就會(huì)把發(fā)射的信號(hào)反射回發(fā)送端。在發(fā)送端，如果收到反射的信號(hào)，就確認(rèn)障礙物的存在。

　　但是在實(shí)際應(yīng)用中，紅外干擾源較多；而且在有反射光的情況下，由于光線的干擾，很容易判斷失誤，出現(xiàn)虛警。因此，有些設(shè)備在發(fā)射信號(hào)時(shí)，改進(jìn)為發(fā)送一串連續(xù)的紅外脈沖，然后接收反射的信號(hào)。如果接收到的紅外脈沖數(shù)量超過某一門限值時(shí)，就判斷障礙存在。這種方法盡管在一定程度上可以降低虛警率，但實(shí)驗(yàn)表明，在較強(qiáng)的反射光和使用電子鎮(zhèn)流器方式的日光燈起輝時(shí)，仍很容易出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。

　　本文提出解決干擾的方案是：由單片機(jī)控制發(fā)射有一定意義的紅外編碼脈沖串，同時(shí)，單片機(jī)接收該脈沖串。如果接收到的信號(hào)和發(fā)射的信號(hào)基本一致，才判斷為有障礙物的存在。

　　探測障礙的原理框圖如圖1所示。

圖1? 探測障礙原理框圖

2? 電路設(shè)計(jì)

　　在實(shí)測電路中，使用***義隆公司的EM78P156E單片機(jī)，紅外發(fā)射管為MIE552A2，紅外接收頭為寧波甬晶微電子有限公司的NB0038，電路如圖2所示。

圖2? 紅外編碼探測障礙電路

　　當(dāng)需要探測障礙物時(shí)，單片機(jī)U1首先讓U2紅外接收頭 NB0038接通電源。在發(fā)射電路中，D2為紅外發(fā)射管，U1的P51引腳輸出編碼脈沖，通過Q2控制D2發(fā)射紅外信號(hào)。當(dāng)有紅外信號(hào)進(jìn)入接收頭時(shí)，U2的輸出端出現(xiàn)高電位，并送到U1的P67引腳。

　　NB0038是用于紅外接收的一體化接收頭，采用環(huán)氧樹脂封裝，把獨(dú)立的PIN二極管同前置放大器集成在同一封裝上。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。接收的載波中心頻率為38.0 kHz。

圖3? NB0038內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

3? 編碼脈沖的產(chǎn)生和接收

　　在實(shí)際使用中，由于EM78P156E單片機(jī)的工作頻率是4 MHz，載波脈沖采用26 μs,其中高電位是10 μs,低電位是16 μs,占空比是38.5%。在產(chǎn)生載波時(shí)，要檢測是否有反射信號(hào)。反射信號(hào)的檢測是單片機(jī)利用低電位的16 μs時(shí)間內(nèi)判斷接收引腳是否存在相應(yīng)的發(fā)射信號(hào)。

　　為了確定需要編碼的調(diào)制信號(hào)脈沖寬度，在1 000個(gè)NB0038的接收頭中，隨意選擇 30個(gè)作實(shí)驗(yàn)。在約20 cm的距離內(nèi)出現(xiàn)表面不光滑的障礙物，從單片機(jī)通過紅外發(fā)射管發(fā)射信號(hào)到NB0038接收信號(hào)，檢測出現(xiàn)在接收引腳為高電平時(shí)的載波脈沖量如表1所列。

表1? 載波脈沖數(shù)統(tǒng)計(jì)

　　因此，選擇調(diào)制信號(hào)脈沖為24個(gè)載波脈沖寬度為：

　　發(fā)射信號(hào)的格式如圖4所示。

圖4? 發(fā)射信號(hào)的格式

3.1? 編碼“1”脈沖產(chǎn)生和接收

（1） ?產(chǎn)生一個(gè)占空比為38.5%的載波脈沖
　　首先，使紅外發(fā)射控制P51=1,發(fā)射紅外信號(hào)，保持時(shí)間是10 μs。然后，重新使P51=0,停止發(fā)射紅外信號(hào)，保持時(shí)間是16 μs。

（2）? 判斷是否存在反射信號(hào)“1”
　　在發(fā)射到第17、19、21和23個(gè)載波脈沖時(shí)，在停止發(fā)射紅外信號(hào)的16 μs內(nèi)，檢測接收引腳P52。如果P52＝1，則表明存在反射信號(hào)；如果P52＝0，則認(rèn)為無反射信號(hào)。

　　在這4次判斷過程中，如果有3次以上判斷為存在反射信號(hào)，則確認(rèn)接收到反射的“1”。

　　實(shí)現(xiàn)的軟件流程如圖5所示。

3.2? 編碼“0”脈沖產(chǎn)生和接收

　　當(dāng)發(fā)射“0”脈沖時(shí)，停止發(fā)送任何紅外信號(hào)。

　　在相當(dāng)于第17、19、21和23個(gè)載波脈沖時(shí)間的時(shí)候，檢測接收引腳P52。如果P52＝1，則表明存在干擾的紅外信號(hào)；如果P52＝0，則表明沒有其他紅外信號(hào)的干擾。

　　在這4次判斷過程中，如果有3次以上判斷為沒有其他紅外信號(hào)的干擾，則確認(rèn)正確地接收到“0”。

　　實(shí)現(xiàn)的軟件流程如圖6所示。

圖5? 發(fā)送編碼“1”流程

圖6? 發(fā)送編碼“0”流程

4? 抗干擾能力分析

　　在應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)發(fā)送和接收低于6位的編碼脈沖，仍然有一定的受干擾現(xiàn)象發(fā)生；但發(fā)送和接收高于10位的編碼脈沖,已經(jīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。實(shí)際上，在發(fā)送編碼為“0”時(shí)，是沒有紅外信號(hào)存在的。對于隨機(jī)而頻繁的干擾信號(hào)，這時(shí)很容易檢測到干擾的存在。

　　發(fā)送編碼的實(shí)質(zhì)是：

　　①? 當(dāng)編碼位為“1”時(shí)，檢測是否存在障礙物。這時(shí)如果有信號(hào)的反射，則表明在測量的范圍內(nèi)有障礙物。如果接收不到反射的信號(hào)，說明沒有障礙物，或者是障礙物超出測量的范圍。
　?、??當(dāng)編碼位為“0”時(shí)，檢測是否存在干擾。這時(shí)如果有干擾信號(hào)，則表明發(fā)射“1”測到的障礙物，有可能是由于有干擾信號(hào)而導(dǎo)致的錯(cuò)誤判斷。

5? 編碼的方案

　　應(yīng)用中，發(fā)送編碼的方案有3種：

　?、? 發(fā)送較短的編碼串（10~16位），判斷時(shí)間約6~10 ms。在接收過程中，不能有一位的誤碼，否則認(rèn)為是干擾，要等待下一次的障礙檢測。這種方案在檢測過程中，不能存在干擾。
　　② ?發(fā)送大于16位的編碼串（16~32位），判斷時(shí)間約10~20 ms。對接收“0”和“1”的編碼誤碼統(tǒng)計(jì)，其中可以根據(jù)應(yīng)用場合的需要,存在 1~2位“0”的誤碼和 1~3位“1”的誤碼，這樣能有效提高抗干擾能力。
　　③ ?發(fā)送大于32位編碼串，判斷時(shí)間 >20 ms。根據(jù)實(shí)際情況來分析接收的編碼，以判斷障礙的存在。

　　實(shí)際應(yīng)用中，采用24位編碼，分3次發(fā)出。3次發(fā)射的編碼如表2所列。

表2? 發(fā)射的脈沖編碼表

　　當(dāng)不多于2位“0”的誤碼和2位“1”的誤碼時(shí)，確認(rèn)障礙物的存在。