紅外傳感器在速度測(cè)量中的應(yīng)用

1、    紅外傳感器在速度測(cè)量中的應(yīng)用摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte紅外線技術(shù)在測(cè)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，許多產(chǎn)品已運(yùn)用紅外線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)輛測(cè)速、探測(cè)

2、等研究。紅外線應(yīng)用速度測(cè)量領(lǐng)域時(shí)，最難克服的是受強(qiáng)太陽(yáng)光等多種含有紅外線的光源干擾。外界光源的干擾成為紅外線應(yīng)用于野外的瓶頸。針對(duì)此問(wèn)題，這里提出一種紅外線測(cè)速傳感器設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案能夠?yàn)槎帱c(diǎn)測(cè)量即時(shí)速度和階段加速度提供技術(shù)支持，可應(yīng)用于公路測(cè)速和生產(chǎn)線下料的速度稱(chēng)量等工業(yè)生產(chǎn)中需要測(cè)量速度的環(huán)節(jié)。1 紅外測(cè)速傳感器概述紅外線對(duì)射管的驅(qū)動(dòng)分為電平型和脈沖型兩種驅(qū)動(dòng)方式，本系統(tǒng)中紅外傳感器選用脈沖型驅(qū)動(dòng)方式。由紅外線對(duì)射管陣列組成分離型光電傳感器。該傳感器的創(chuàng)新點(diǎn)在于能夠抵抗外界的強(qiáng)光干擾。太陽(yáng)光中含有對(duì)紅外線接收管產(chǎn)生干擾的紅外線，該光線能夠?qū)⒓t外線接收二極管導(dǎo)通，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，甚至導(dǎo)致

3、整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。本傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠設(shè)置多點(diǎn)采集，對(duì)射管陣列的間距和陣列數(shù)量可根據(jù)需求選取。2 紅外線測(cè)速傳感器硬件設(shè)計(jì)21 紅外線發(fā)射管電路設(shè)計(jì)發(fā)射管選取SIR204-A型發(fā)射管，該紅外線二極管驅(qū)動(dòng)電流范嗣為20100 mA，其正向?qū)▔航禐?315 V，發(fā)出紅外線光波長(zhǎng)范圍約為835930 nm，發(fā)射角度為30°，直射時(shí)紅外線光強(qiáng)度最大。發(fā)射管驅(qū)動(dòng)電壓采用脈沖電壓，38 kHz載波頻率，發(fā)送時(shí)長(zhǎng)為280 s，占空比為12的方波，發(fā)送間隔為720 s。載波脈沖需要與紅外線接收管的型號(hào)相匹配。紅外發(fā)射管能夠匹配光電晶體管、光敏二極管和紅外接收器模塊，紅外傳感器的接收部分選擇了帶有放大

4、和濾波功能的紅外線接收二極管。發(fā)射部分的設(shè)計(jì)需要考慮到接收部分的制約。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證調(diào)制脈沖驅(qū)動(dòng)電流能夠匹配紅外線接收管，將紅外線接收管導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)發(fā)射管PWM的波形如圖l所示。圖2是紅外線發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)電路圖。脈沖信號(hào)由R29處輸入，通過(guò)NPN型三極管，從而控制紅外發(fā)射管VD3的通斷情況，本電路中單個(gè)紅外管驅(qū)動(dòng)電流選擇值約為20 mA。由于NPN型三極管驅(qū)動(dòng)電流低于20 mA，需在電路中加入P-mos管增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。R18和R29的電阻值需要匹配，若2個(gè)電阻匹配不佳，會(huì)造成驅(qū)動(dòng)脈沖波形毛刺較多，使二極管導(dǎo)通能力減弱，導(dǎo)通時(shí)間延遲增大。R18盡量大，能夠減少電路功耗，R18和R29都選用10 k電阻。紅

5、外線發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定，會(huì)造成接收判斷失效，驅(qū)動(dòng)電路的配置要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行匹配。22 紅外線接收管電路設(shè)計(jì)紅外線接收管內(nèi)部電路如圖3所示，紅外線接收二極管內(nèi)部電路將導(dǎo)通后微弱脈沖信號(hào)放大、濾波整形，輸出單片機(jī)可以識(shí)別的方波脈沖信號(hào)。該類(lèi)型紅外線接收管導(dǎo)通波長(zhǎng)范圍約為8501 050 nm，紅外線發(fā)射管發(fā)射波長(zhǎng)約為875 nm，能夠滿足紅外線接收管導(dǎo)通要求。紅外線接收管選用HS0038型的紅外一體接收頭，該器件集成度高，能夠以小成本實(shí)現(xiàn)圖3所示功能。紅外線接收管需要接收38 kHz左右?guī)挼拿}沖波形，接收發(fā)射管只能接收間歇發(fā)射的紅外線，發(fā)射紅外線過(guò)于密集，接收管無(wú)法導(dǎo)通，需要予以注意。紅外線發(fā)射管

6、發(fā)出38 kHz載波，將紅外線接收管導(dǎo)通。該波形頻率為1 kHz，周期內(nèi)高電平時(shí)間720s，低電平時(shí)間280s。當(dāng)有物體遮擋紅外線對(duì)射管時(shí)，發(fā)射源被遮擋，紅外線接收管無(wú)法導(dǎo)通，輸出高電平。由此可以判斷是否有物體從紅外線對(duì)射管中間通過(guò)。紅外線接收管導(dǎo)通時(shí)的輸出波形如圖4所示。當(dāng)紅外線接收管被正面遮擋時(shí)，周?chē)系K物體反射由紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線。此時(shí)微弱的信號(hào)會(huì)隨著紅外線接收管內(nèi)部自動(dòng)增益控制調(diào)節(jié)到最大而產(chǎn)生方波波形，對(duì)紅外線接收管造成干擾。干擾使采集到的信號(hào)復(fù)雜，需要采用濾波手段將雜波干擾濾除。經(jīng)過(guò)分析和示波器觀察，雜波的頻率大于1 kHz。在紅外線接收管輸出端接入有源濾波電路，能夠?qū)⒏哂?

7、kHz的雜波濾掉。由此輸出的波形為紅外線接收管導(dǎo)通和未導(dǎo)通兩種狀態(tài)下的信號(hào)，未摻雜干擾，較容易區(qū)分，可以根據(jù)特點(diǎn)編寫(xiě)算法，判斷是否有物體從紅外線對(duì)射管中間通過(guò)。3 紅外線測(cè)速傳感器軟件設(shè)計(jì)控制軟件需要保證紅外線對(duì)射管一對(duì)一工作，且對(duì)信號(hào)采集處理，對(duì)采集的信號(hào)編寫(xiě)算法程序，完成對(duì)物體是否遮擋紅外線對(duì)射管的判定，即分辨紅外線接收管是否被導(dǎo)通。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)取脈沖個(gè)數(shù)，可以將物體遮擋某個(gè)紅外線接收管的時(shí)間記錄下來(lái)。程序流程如圖5(a)所示，需要不斷判定第一個(gè)紅外線接收管的輸出狀態(tài)，當(dāng)確定有物體遮擋時(shí)，將開(kāi)始標(biāo)志位置為1，單片機(jī)開(kāi)始讀取其他接收管狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，下一對(duì)紅外線對(duì)射管的接收管

8、被遮擋停止計(jì)時(shí)。紅外線發(fā)射管按順序依次發(fā)射紅外線，處理單元依次讀取紅外線接收管狀態(tài)，可以防止鳥(niǎo)或人無(wú)意遮擋引起的誤判現(xiàn)象。判斷有物體遮擋的程序思想為判斷1 ms內(nèi)，是否有物體遮擋，若沒(méi)有物體遮擋，紅外線接收管輸出的脈沖波形保持不變；若有物體遮擋，紅外線接收管輸出高電平持續(xù)1 ms以上。紅外線接收管輸出狀態(tài)是否為高電平，可以判斷是否有物體遮擋。當(dāng)按順序掃描的前一對(duì)紅外線對(duì)管被判定遮擋時(shí)，開(kāi)始掃描下一對(duì)管子的脈沖個(gè)數(shù)，同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器。延時(shí)50 s，判定接收管接收到的是否為脈沖，判定是否為脈沖則需要判定引腳是否為低電平，如果引腳為低電平，計(jì)數(shù)值清零。計(jì)數(shù)值并不是計(jì)數(shù)器的值，而是計(jì)算延時(shí)50s的次數(shù)是

9、否達(dá)到28。當(dāng)判斷相應(yīng)的接收管被遮擋時(shí)，相應(yīng)的紅外線對(duì)管序號(hào)累加。程序流程如圖5(b)所示。4 整體結(jié)構(gòu)紅外線對(duì)射管構(gòu)成一對(duì)紅外傳感器收發(fā)子單元。若干對(duì)紅外傳感器收發(fā)子單元構(gòu)成完整的紅外線測(cè)速傳感器，其紅外線對(duì)射管分離距離和紅外傳感器收發(fā)子單元間距可以調(diào)整。如圖6所示，需要大于2，分離距離超過(guò)5 m。在兩對(duì)紅外線對(duì)射管之間測(cè)量物體經(jīng)過(guò)的時(shí)間T，間距設(shè)置為L(zhǎng)，可以得到后一對(duì)紅外線對(duì)射管的即時(shí)速度V：5 結(jié)束語(yǔ)紅外線對(duì)射管方法，能夠動(dòng)態(tài)地反應(yīng)物體運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)紅外對(duì)管時(shí)的即時(shí)速度和階段加速度。紅外線在速度測(cè)量中的應(yīng)用，可以作為其他設(shè)備或者系統(tǒng)的技術(shù)支持，為后續(xù)的設(shè)備校準(zhǔn)和分析提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。CD4051等模擬開(kāi)關(guān)芯片可以作為增加測(cè)量點(diǎn)數(shù)量的編碼