基于PSD 的红外自动感应抗色差系统的设计与实现

文/胡成平

1 目前红外自动感应系统存在的不足

现在红外自动感应系统是根据红外光反射强度的原理：红外发射管主动发射红外光信号照射到物体表面，物体表面反射红外光信号，红外接收器检测物体表面反射的红外光信号强度，对感应物体进行距离识别；感应物体距离越近反射越强，而在相同的距离，物体颜色越深反射越弱；原因是不同材料、不同颜色的物体反射红外光的差异非常大；红外光对不同颜色表面反射的差异性，造成了红外自动感应系统因物体颜色的不同，可识别的距离偏差非常大，甚至可达到几十个厘米；红外自动感应系统存在对感应物体的颜色非常敏感，系统稳定性差、感应距离精度低等不足。

2 基于PSD的红外自动感应抗色差系统

该系统是利用物体表面反射的红外光信号照射在一维PSD 表面，产生横向光电效应；通过等效电阻上产生的不同光电流及红外光反射路径的三角形比例函数关系，计算出感应物体的距离。

2.1 应用PSD的红外自动感应抗色差原理

红外光线由发射管发出，照射在物体表面，经物体表面反射后，经过前端焦距为f 的透镜后，形成光斑透射到一维PSD 上；见图1。

其中X 为光斑到PSD 中心的距离，M 为PSD 的长度，M1 和M2 分别为PSD 中心距到二边的长度，见图2。

图1

图2

图3

且M1+M2=M ① ；PSD 二端分别接信号输出电极，光斑透射到PSD 上产生光电流I0，而光斑到PSD 左右二边的距离，可用看成是R1 和R2 二个等效电阻，见图3。

光斑在R1 和R2 二个等效电阻上形成的光电流分别为：I1 和I2，并且②I1 + I2 = I0；I1 和I2 的大小由入射透镜的角度及光斑在PSD 上的位置X 决定，根据图3的等效电路图，两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到PSD二边距离之比的倒数，由此列出如下等式：

把① 、②等式代入③式中，可变换为：

由④式可知，红外光的反射只与光斑在PSD 距离中心线的位置X 有关，而与入射光强度无关，

在该系统中，PSD 为入射光斑位置的敏感器件。④式则为PSD 反映光斑位置的输出信号表达式。红外发射器发射红外光信号，当遇到物体时反射红外光信号，通过透镜在PSD上形成光斑，见图1所示。PSD 检测到光斑后，通过硬件电路把光斑在PSD 二边形成的光电流信号放大并转换成二路电压信号，输入到单片机的内置A/D 采样模块，由A/D 模块把二路模拟信号转换成单片机可处理的数字信号；根据④式，单片机把采样得到的二路电压信号进行加减法和除法处理后，计算出光斑在PSD上的偏移位置X 的值。

图4

图5

图7

在图1中，通过相似直角三角形的对应边之比相等的比例关系，列出函数公式：⑤ f/X=Dm/(L/2) ；因中心距L 为红外发射管与接收器件之间的距离，L 为系统的已知值，并且L 值都非常小，只有几个厘米的距离，远小于距离Dm 的值，而光斑位置X 的值已由④式计算出来，因此可由⑤ 求得物体与系统之间距离Dm 的值，Dm 值只与PSD 中心偏离值X有关，与红外发射光的强度无关，也即与物体表面颜色或材料表面粗糙度无关反射红外光的强度弱无关联，由此实现了红外自动感应系统的抗色差要求，并且提高了红外自动感系统的精度和稳定性。

2.2 系统组成

红外自动感应抗色差系统主要由以下几个部份组成：红外光信号发射装置、透镜装置、PSD 感应器、信号转换和放大电路、单片机、执行处理器件等组成。组成框图如图4。

2.3 硬件电路

红外自动感应抗色差系统硬件原理图如图5。

图6

红外发射管D1 发射红外光信号，遇到物体时红外光信号被反射，通过透镜形成光斑照射到PSD 上形成光电流，经U1、U2、U3、U4 对PSD 输出的光电流进行电流-电压转换和放大后，输入到单片机内置A/D 采样模块，采样得到二路电压信号值V1 和V2，单片机对二路数字信号进行加、减和除法运算后，根据④式计算求出光斑在PSD 上的偏移位置X值，通过相似三角形公式的等比例关系⑤式：f/X=Dm/(L/2+X)求得物体与感应系统之间距离值Dm，通过设定最大距离Dmax，检测到物体距离小于Dmax 时，则开启执处器件，距离大于Dmax 时，则关闭执处器件，从而实现了红外自动感应抗色差系统的执行控制。

2.4 软件流程图

软件的流程图，见图6。

上电初始化系统后，启动发射红外光信号，进行物体的检测，开启A/D 转换子程序，对接收到的A/D 信号采样，对采样得到的二路电压信号进行加法、减法、除法的运算；再通过相似三角形关系公式，计算出实际距离Dm；进行物体距离检测比较，并识别实际距离是否符合触发控制处理的距离条件要求，符合条件则执行控制处理子程序，结束后，进入下一次循环查询。

3 系统的测试与验证

通过测试，使用不同颜色物体，对原红外自动感应系统与应用了PSD 的红外自动感应抗色差系统分别进行了测试对比，二种系统按测试要求，均以标准白板为感应物体，设定感应距离为50CM，二种系统不同电压值下测试比较，验证系统的可靠性和稳定性；得到数据比较，如图7。

同样二种系统按测试要求，以白、蓝、红、绿、黄、黑标准色卡板为基准感应物体进行测试，感应距离设定为50CM，几种不同颜色的感应物体测试数据，如图8。

从以上二类测试数据可知，在不同电压值及不同颜色的条件下，基于PSD 的红外自动感应抗色差系统稳定可靠、且对颜色不敏感；大大的提高了红外自动感应系统的稳定性和精度，且具有抗色差的特性。

4 结束语

通过采用PSD 作为红外接收器件，通过物体表面反射红外光在PSD 上形成光电流，经对电流信号的转换和放大，并在测量电路中应用单片机的内置高精度的A/D 采样模块和高速CPU 的应用，将A/D 采样得到的信号进行加法、减法、除法的数字运算的方式完成，克服硬件运算电路在一定条件下性能不足的缺点；通过软件算法消除了硬件测量电路中存在的漂移、偏置积累的不良影响，最终的测量距离只与光点的位置偏移量X 有关，而与入射光强度无关，不同颜色的感应物体，保持同样精度的感应距离。改变了红外传感器对颜色敏感的特性，满足了红外抗色差的技术要求，并提高了系统的稳定性和测距精度。

图8