红外测距传感器的原理与设计最终版.docx
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红外测距传感器的原理与设计最终版
红外测距传感器的原理与设计
摘要：
现代科学技术的发展，进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。
为了实现物体近距离、高精度的无线测量，我采用红外发射接收模块作为距离传感器，单片机作为处理器，编写A/D转换、显示以及与PC机的通信程序，开发了一套便推式的红外距离测量系统，系统可以高精度的实时显示所测的距离，并且可以将距离量通过串口发送到PC机显示处理、本系统结构简单可靠、体积小、测量精度高、方便使用，另外本系统形成了一套完善的软硬件开发平台，可以进行扩展、移植和做进一步的开发。
关键词：
红外测距；68HC11E1；A/D转换；
一、绪论
1.1设计背景
在基础学科研究中，传感器具有突出的地位。
现代科学技术的发展进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。
其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。
由于受恶劣的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用元件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性—反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。
红外线测距传感器有它的几个特点，远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；有同步输入端，可多个传感器同步测量；测量范围广，响应时间短；外形设计紧凑，易于安装，便于操作；所以它的应用价值比较高。
另外红外测距的应用越来越普遍。
在很多领域都可以用到红外测距仪。
红外测距一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。
当前红外测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。
1.2红外线简介
近二十年来，红外辐射技术已成为一门迅速发展的新兴技术科学，它已广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。
红外辐射技术是发展测量技术、遥感技术和空间科学技术的重要手段。
红外辐射俗称红外线，又称红外光，它是一种人眼看不见的光线，但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质，任何物质只要它的湿度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。
它的波长介于可见光和微波之间，它的波长范围大致在0.75μM-1000μM的频谱范围之内，红外线与可见光、紫外线、x射线、y射线和微波、无线电波一起构成了整个无线连续的电磁波谱。
在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。
它已在科技、国防和工农业生产等领域获得广泛的应用。
1.3红外线传感器概述
1.3.1红外线传感器系统介绍
1.待测目标
根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。
2.大气衰减
待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。
3.光学接收器
它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。
相当于雷达天线，常用是物镜。
4.辐射调制器。
对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。
又称调制盘或斩波器，它具有多种结构。
5.红外探测器
这是红外系统的核心。
它是将红外辐射能转换为电能的光敏器件，利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器。
多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。
此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。
6.探测器制冷器
由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。
经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。
7.信号处理系统。
将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。
然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。
8.显示设备。
这是红外设备的终端设备。
常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。
依照上面的流程，红外系统就可以成相应的物理量完的测量。
红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。
下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。
热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器有依赖于温度的变化而发生变化的性能。
检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。
多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。
当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。
欧姆龙公司生产的漫反射式和对射式光电传感器，这两种传感器主要用于事件检测和物体定位。
红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。
1.3.2红外线传感器的分类
常见红外传感器可分为热传感器和光子传感器。
（1）热传感器
热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。
热探测器的主要优点是相应波段宽，可以在室温下工作，使用简单。
但是，热传感器相应时间较长，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。
热传感器主要类型有：
热敏传感器型，热电偶型，高莱气动型和热释放电型四种。
（a）热敏电阻型传感器
热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧解而成的，热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值减少。
测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。
（b）热电偶型传感器
热电偶是由热电功率差别较大的两种材料构成。
当红外辐射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。
而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流。
同时回路中产生温差电势，温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。
利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，因其时间常数较大，相应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10HZ以下。
（c）莱气动型传感器
高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。
它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。
薄片的背向管道一面是反射镜。
气室的前面附有吸收模，它是低热容量的薄膜。
红外辐射通过窗口入射到吸收模上，吸收模将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动。
在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。
当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生变化，这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。
这种传感器的特点是灵敏度高，性能稳定。
但响应时间性长，结构复杂，强度较差，只适合于实验室内使用。
（d）热释电型传感器
热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。
铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。
当红外线辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。
如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。
输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映入射的红外辐射的强弱。
由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。
当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。
只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。
所以，必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断的引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。
（2）光子传感器
光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。
通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。
利用光子效应所制成的红外传感器。
统称光子传感器。
光子传感器的主要特点灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率。
但其一般须在低温下工作，探测波段较窄。
按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电传感器两种，后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。
（a）外光电传感器
当光辐射在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大时，就能使材料的电子逸出表面，这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。
光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。
它的响应速度比较快，一般只需几个毫微秒。
但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。
（b）光电导传感器
当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫光电导现象。
利用光电导现象制成的传感器称为光导传感器，如硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲隔汞等材料都可制光电导传感器。
使用光电导传感器时，需要制冷和加一定的偏压，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄，以致使红外线传感器损坏。
（c）光生伏特传感器
当红外辐射照射在某些半导体材料的PN结上时，在结内电场的作用下，自由电子移向N区，如果PN结开路，则在PN结两端便产生一个附加电势，称为光生电动势。
利用这个效应制成的传感器或PN结传感器。
常用的材料为砷化铟、锑化铟、碲化汞、碲锡铅等几种。
（d）光磁电传感器
当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴将向内部扩散，在扩散中若受强磁场的作用，电子与空穴则各偏向一方，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。
利用此效应制成的红外传感器，叫做光磁电传感器。
光磁电传感器不需致冷，响应波段可达7μM左右，时间常数小，响应速度快，不用加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性。
但其灵敏度低，低噪声前置放大器制作困难，因而影响了使用。
1.3.3红外线传感器的应用
红外传感器的应用主要体现在以下几个方面：
1、红外辐射计：
用于辐射和光谱辐射测量
2、搜索和跟踪系统：
用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对其运动进行跟踪。
3、热成像系统：
能形成整个目标的红外辐射分布图像。
4、红外测距系统：
实现物体间距离的测量。
（利用的是红外线传播时的不扩散原理，因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线）
5、通讯系统：
红外线通信作为无线通信的一种方式。
6、混合系统：
是指以上各类系统中的两个活多个组合。
二、红外测距的方法和原理
2.1几种红外测距原理及选择
2.1.1相位测距原理
由主控振荡器（即主振）产生的调制信号频率f，经放大后加到GaAs发光管，经电流调制出射红外调制光，从发射光学系统出射射向镜站的反光镜；经反射后，回光被接收光学系统所接收，到达硅光敏二极管；经过光电转换，得到高频的测距信号。
为了提高相位测量的精度和仪器的稳定性，机内又设置了本机振荡器（本振），其频率为
2-1
（
为几个千赫的中频）。
利用差频原理将高频测距信号与本振信号同时输入到混频I，获得中频
的测距信号e。
但它保留着在测线上往返所形成的相位差
。
与此同时，在混频II中，本振与主振信号不经测线直接在机内会合，从而可以得到用于比相的中频基准信号（参考信号）e。
两者经过选频放大和整形后输入到检相器比相，得到相位差。
最后通过运算和显示系统直接给出所测的距离值。
由于受到机内光学和电子线路附加相移
的影响，事实上对测线上往返的光波所测得的结果，既包含了2S距离上的相位差，又有机内附加相移的部分，即
2-2
相位式红外光电测距通常由砷化镓发光二极管为载波源，中心波长一般在0.72-0.94μm，发出的红外线强度随注入的电信号强弱而变化。
通过测量连续的调制光波在待测距离上往返后产生的相位移动量，来间接测定调制波传播的时间t，从而求得被测距离D。
由A点测距仪发出连续的频率固定的调制信号（一般是调幅信号）沿着待测距离传播到B点，由B点的反射棱镜再返回到A点。
则下图中所示的相位移，即代表调制波往返传播的距离2D。
图1调制波往返的传播距离
由图1
2-3
即
2-4
式中，2π为一个周期的相位变化，N为相位移中的2π的整周期数，
为不足整周期相位移的尾数；
为不足整周期的比例数
，λ为调制波长。
由物理学可知
，其中，c为调制波的传播速度，f为调制波频率。
因为c和f为已知，故式2-4中的
是已知的单位长度，可把它称为“电尺”。
从上式可知，相位式测距的一般原理可相当于用这样的“电尺”代替钢尺量距，被测距离就等于整尺段
和余尺段
之和。
式2-4中，
为已知，而△N由仪器测得，但仍有两个未知数D和N。
因此用一个测尺频率测距耐，便出现多值解要解决这个问题，从原理上讲，似乎只要把“电尺”长度选择得大于被测距离D，则式2-4变为
，从而可变多值解为唯一解了，这显然是不可能的。
一是“电尺”不能过于长，二是一定测相精度下，“电尺”越长，其误差越大，测距精度明显降低。
2.1.2PSD测距原理
利用三角测距原理,用一种称之为位置敏感器件（PositionSensitiveDevice）的PSD元件来获得二路输出信号,根据这二路信号来获得物体的距离量值。
2.1.3带运动机构的双象比较法原理
系统中有二套光路对被测物体成像，其中一套光路是经过可运动的反光镜获得的,接收系统及时比较二套光路来的图像,当二者一致时,就可根据可运动反光镜的位置来获得物体的距离信息。
2.1.4时间差测距法原理
红外线发射器发射出频率为40kHz的红外线，经障碍物反射，红外线接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。
测出发射波与接收到反射波的时间差t，即可求出距离s。
2.1.5反射能量法原理
反射能量法:
仪器发射一束光（通常是近红外光）照射到被测物体表面,仪器同时接收被测物体的反射光能量,根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离。
2.1.6红外测距原理的选择
我们在红外测距系统就是采用反射能量法，因其结构简单、体积小、成本低,可以广泛应用于大批量生产的光机电综合产品，因此本文就此方法设计了一种红外测距系统。
2.2红外测距系统的工作原理
本文设计基本原理是红外发射电路的红外发光二极管发出红外光，经障碍物反射后，由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。
根据发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强随是随反射物体的距离变化而变化的，因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。
因为红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。
红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。
自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。
三、红外测距的基本结构及系统框图
3.1红外测距的过程
红外测距的工作过程简单来讲就是瞄准目标，然后接通电源，启动发射电路，通过发射系统，像目标发射红外信号，同时，采样器采样发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，启动计数器，时钟振荡器像计数器有效的输入计数脉冲，由目标反射回来的红外线回波作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计数器的关门信号，计数器停止计数，计数器从开门到关门期间，所进入的时钟脉冲个数，经过运算得到目标距离，测距公式为：
3-1
式中：
L——待测距离；
c——光速；
t——光脉冲在待测距离上往返传输所需要的时间。
只要求出光脉冲在待测距离往返传输所需要的时间就可以通过上式求出目标距离。
红外脉冲的原理与结构比较简单、测距远、功耗小。
3.2红外测距系统框图
本设计主要由五部分组成：
红外发射电路、红外接收电路、放大电路、单片机电路、译码显示电路。
其工作过程图2：
图2红外测距系统工作过程
系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫反射回来，经接收单元接收、放大整形后到距离计算单元计算完毕后显示目标物距离。
3.3主要元件分析
3.3.1红外线发射器件
红外线发射器件是最长用的为红外发光二极管，它与普通发光二极管的结构原理以及制作工艺基本相同，是只有一个PN结的半导体器件，只是所有的材料不同，制造红外发光二极管砷化钾，砷铝钾等，其中应用最多的是砷化钾。
红外发光二极管一般采用环氧树脂，玻璃，塑料等封装，除白色透明材料封装外，还可见到用蓝色透明材料封装的，。
红外发光二极管按发光功率的大小，可分为小功率，中功率，大功率三种。
另外，红外发光二极管除顶面发光型外，还有侧面发光型。
小功率管一般采用全塑封装，也有部分是采用陶瓷底座，顶端用玻璃或环氧树脂透镜封装的，中大功率管一般采用带螺纹金属底座，以便安装散热片。
随着发光功率得提高，相应体积的管子也增大。
红外发光二极管的主要参数
（1）正向工作电流I
是指红外发光二极管长期工作时，允许通过的最大平均电流，因为电流通过PN结时，要消耗一定的功率而引起管子发热，如管子长期超过I运行，会因过热而烧毁，因此，使用的最大平均正向工作电流不得超过I。
（2）光功率
是指输入到发光二极管的电功率转化为光输出功率的那一部分。
光功率越大，发射距离越远。
（3）峰值波长
是指红外发光二极管所发出近红外光中，光强最大值所对应的发光波长，在选用红外接收管时，其受光峰值波长应尽量靠近
。
（4）反向漏电流
是指管子未被反向击穿时反向电流的大小，希望它越小越好。
（5）响应时间
由于红外发光二极管PN结电容的存在，影响了它的工作频率。
现在，红外发光二极管的相应时间一般为
最高工作频率为几十
。
3.3.2红外线光敏二极管
我们知道半导体具有光电效应，即用光照半导体，可使半导体的电阻率发生变化。
利用半导体的光电效应可以制成光电二极管，不同的半导体材料对不同波长的入射光的响应是不同的。
光敏二极管有顶面受光和侧面受光两种形式。
它也是采用塑料、玻璃、环氧树脂等材料封装。
光敏二极管的主要参数
（1）光电流IL
是指在一定反向电压下，入射光强为某一定值时流过管子的电流。
光敏二极管的光电流一般为几十μA，并与入射光强成正比。
（2）暗电流ID
是指在一定反向电压下，无光照时流过管子的电流。
一般在50V反压下，ID小于0.1μA。
（3）反向工作电压UR
是指在无光照时，光敏二极管反向电流小于0.2μA-0.3μA时，允许的最高反向工作电压，一般在10V左右，最高可达几十伏。
四、红外测距硬件电路设计
4.1单片机最小系统
M68HC11系列是motorola公司生产的8位单片机中功能最强、集成功能最全的机种。
68HC11E1的一大特色是功耗低，工作电流小于15mA，有WAIT和STOP两种方式进行省电。
M68HC11的可靠性很高，有程序自下载功能，接上串口线就可以自动下载程序。
其扩展能力强。
68HC11E1由CPU、片内存储器、定时器系统、串行口、A/D、并行I/O口，中断和复位系统组成。
封装如图3：
图3M68HC11的封装图
该芯片扩展了32K的静态不挥发RAM。
片内EEPROM可现场擦除和写入，可存放各种需经常修改、掉电后又不允许丢失的数据，也可存放程序。
片内RAM具有后备保护特性。
其优点是既有静态RAM的速度和方便（70ns），又有EEPROM或FlashRom的掉电不丢失性，从而能将程序和数据合用一个芯片。
同时具有可靠的上电、掉电、强静电等数据保护功能。
其控制板设计了ASBUS总线如图4：
图4ASBUS总线图
简单类似于ISA和PCI总线。
采用堆叠式的ASBUS扩展卡可以方便扩展控制板的功能。
总线通常包含了几十条分立的线，每一条被赋予一个特定的含义或功能。
总线可以分成三个功能组：
数据线：
数据线提供系统模块间传送数据的路径。
这些线结合在一起称为数据总线。
线的数目称为数据总线的宽度。
地址线：
地址线用于指定数据线上数据的来源和去向。
地址线的宽度决定了系统能够使用的最大的存储器容量。
控制线：
控制线用来控制对数据地址线的访问和使用。
由于数据线和地址，所有模块共享，因此必须用一种方法来控制他们的使用。
【特性引脚功能】
ASBUSA和ASBUSB分别有14个信号线。
PCO-PC7：
数据总线
RESET：
复位信号
IRQ：
外部中断输入脚
VCC：
+5V电源（负载不要超过300MA）
Vmotor：
电机电压，也即电池电压，可接较大负载
GND：
地
IS0-IS3：
输入选择线0-3
OS0-0S3：
输出选择线0-3
PA1-PA2：
输入捕捉口
PA3：
输出比较口
PE5-PE7：
模拟输入口
本设计中PE5扩展红外接收传感器。
4.2红外发射电路设计
（a）电路组成：
红外发射驱动电路是由一个简单的共射放大电路和一个作为开关的三极管电路组成的模块。
电路原理如图5所示:
图5红外发射电路
（b）电路工作原理：
在共射放大电路中，红外发光二极管TLN205接于共射放大电路的集电极，与基极和发射极相接的二极管起温度补偿作用。
控制管脚Vin与68HC11E1芯片管脚Vcc相接。
当控制管脚Vin有信号输入时，控制电路的三极管导通,同时整个电路导通,红外发光二极管TLN205发射出红外光。
4.3红外接收放大电路设计
图6红外接收放大电路
（a）电路组成:
红外接收驱动电路是由红外接收管TPS708和两个电压串联负反馈模拟运算放大电路组成的模块.红外接收驱动电路设计为两极放大是因为在许多情况下，输入信号是很微弱的，要把这样微弱的信号放大到足以带动负载，仅用一级电路放大定是做不到的，必须经多级放大，以满足放大倍数和其他性能方面的要求。
（b）电路工作原理:
红外发光管TLN205发射出的红外光,在遇到前面的障碍物反射后,由红外接收管TPS708接收,此时TPS708会产生一个与光强相对应的电流。
电流经由LM358两级放大后,在输出端可以得到一个0～3V的模拟电压,作68HC11E1单片机模拟输入量进行A/D转换,最后将转换结果在LED上显示出来。
（c）运算放大电路定量分析：
我们采用负反馈模拟运算放大电路，是因为负反馈具有提高增益稳定性、展宽放大器通频带与减少非线性失真和噪音三大优点，并且负反馈还有对相应的输出量进行自动调节作用。
根据闭环增益方程求
对
的导数，得
4-1
即微分
4-2
闭环增益的相对变化量为
4-3
式4-3表明，负反馈的引入使放大器的放大倍数稳定性提高到了
倍，而且负反馈越深，稳定性越高。
输入信号加在集成运放同相输入断的电路称为同相比例运算电路，在红外接收驱动电路中就采用同相比例运算进行两级放大。
下面对同相比例运算电路进行定量分析：
4-4
4-5
4-6
而
4-7
4-8
所以
4-9
整理得
4-10
式子表明，输出电压与输入电压
之间存在着比例运算关系，比例系数由
与
的值决定。
与集成运
升级会员 