红外避障传感器

红外避障传感器 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】

二．红外避障传感器

1.避障传感器主要包括：超声波避障传感器，红外避障传感器，激光避障传感器等等。考虑到发射光线是光，可以希望在相当短的时间内获得较多的红外传感器测量值以及测距范围较近，大致为30cm以内，所以我们选择红外避障传感器安装在机器人上。

2.红外避障传感器的优点：

（1）环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；

（2）被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；

（3）靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；

（4）红外系统的体积小、质量轻、功耗低；

（5）不受电磁波的干扰、非噪声源、可实现非接触性测量。

3. 红外避障传感器的不足：

由于传感器测量光的差异，其受环境的影响非常大，物体的颜色、方向、周围的光线都能导致较大的测量误差。

4.工作原理：

（1）红外避障传感器：

具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当传感器的检测方向遇到障碍物（反射面）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波的返回信号来识别周围环境的变化。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。

（2）热敏检测元件

热阻效应：物质的电阻率随温度变化的物理现象叫热阻效应。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即

Rt=Rt0[1+α（t-t0）]

式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为

Rt=AeB/t

式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。

（3）光电检测元件

光电效应：在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电，分为外光电效应和内光电效应。

光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。

（4）红外发射二极管的选择

红外发射二极管分为很多种。红外发射二极管一般按峰值波长（λp）主要为：850nm、870nm、880nm、940nm、980nm，现在市场上使用较多为850nm和940nm 两种。本次设计所使用的是峰值波长为940nm的红外发射二极管。940nm红外发射二极管优点：光强度高，响应速度快，可用脉冲驱动，无色透明环氧树脂。其主要应用领域：红外遥控系统，红外探测系统，红外幕墙保安系统，磁带、光盘监测器，光电开关/光传感器，主动红外夜视仪，电脑、手机等便携设备的红外数据传输系统。

在使用红外发射二极管时，发射管的辐射强度(Power)与输入电流(If)成正比。辐射强度：Power(单位:W,W/sr,W/cm2)，用以表示红外线发光二极管(IR)其辐射红外线能量之大小。

发射距离与辐射强度(Power) 成正比。W/sr：表示红外线辐射强度的单位，为IR 发射红外线光之单位立体角(sr)所辐射出的光功率的大小。W/cm2：表示照度的单位，为sensor单位面积(cm2)所接收IR发射之辐射功率的大小。

半功率角：2θ? 指红外线二极管其上下或左右两边所辐射出之红外线强度为该组件最大辐射强度的50%时，其上下或左右两边所夹的角度称为半功率角。

（5）红外接收器的选择

本次设计选用HS38B，该器件特性：低功耗、高灵敏度、优良的抗干扰能力。一般用于家用电器、玩具等遥控接收。

红外接收器的电路原理框图

5.测量电路

红外发射与接收器电路图

红外线二极管发射红外光线，如果机器人前面有障碍物，红外线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测（接收）器，检测到反射回的红外光线，并发出信号来表明检测到从物体反射回红外线。

红外线接收器有内置的光滤波器，除了需要检测的940nm波长的红外线外，他几乎不允许其他光通过。红外检测器还有一个电子滤波器，它只允许大约的电信号通过。

这里使用三极管9013的原因是9013的基区做得很薄，当按图接时，发射结正偏，集电结反偏，发射区向基区注入电子，这时由于集电结反偏，对基区的电子有很强的吸引力，所以由发射区注入基区的电子大部分进入集电区，于是集电极的电流增大。

由于C51的I/O驱动能力较弱，加入三极管使其工作在开关状态，用小电流来控制大电流。当P1_3(P3_6)置高电平时，从集电区经基区到发射区电路导通，加载在LED上的电压为VCC（5V），LED向外发射红外线；当P1_3(P3_6)置低电平时，电路又断开，LED停止发射。本次设计提供了5V稳定直流电压，给LED串联一个470?的电阻帮助限流。当三极管导通时，流过LED的电流在10mA左右，使 LED能正常

号输出给单片机，由单片机由电平的变化去控制电动机的工作实现避障。

6.注意事项：

（1）红外是数字传感器，红外接收管只有在接收到一定强度的红外信号时才会有

数值的变化。障碍物（反射面）太小时，红外会检测不到；障碍物（反射面）颜色为

黑色或深色时，会被吸收大部分的红外信号，而只反射回一小部分，导致红外接收管接收到的红外信号强度不够，不足以产生有障碍物（反射面）的信号。

（2）红外在暖光源的照射下（如白炽灯、太阳光）检测受到很大影响，它会受到所有相近红外信号的干扰，白炽灯和太阳光中含有红外信号成分较多，对红外的影响也较大。红外相互之间也存在干扰，因而在使用时需要注意。

（3）红外采用的是发射、接收原理，不同反射面对红外信号的吸收与散射，将影响其检测范围，根据测试红色的反射面效果最佳，白色其次，黑色最差；同时反射面的粗糙度和平整度也会影响检测的效果。