传感器技术应用之障碍物的识别.doc

传感器技术应用之障碍物的识别【摘要】根据近年来电子设计竞赛中常出现的智能化控制，如小车避障、循迹等需要识别障碍物或轨迹的设计制作，对其中使用较多的反射式光电开关、超声波传感器、接近开关等传感器进行分析，以帮助或启发设计爱好者的设计灵感。【关键词】障碍识别传感器设计随着电子技术的发展，智能化控制已逐渐在人们的生活中普及，比如各种智能家电、汽车的倒车雷达、能自动控制加热时间和加热温度的微波炉，可以自动调节温度、湿度的空调，等等。这些自动控制技术始终与传感器技术结合在一起，传感器就像人的感觉器官一样，检测到各种各样环境信息，这些信息通过电路的识别和处理，然后去模拟人的思维和动作去控制某一种功能，就成为目前随处可见的智能化电子产品。传感器的种类较多，本文讨论的仅是传感器技术应用的一个小领域障碍物的识别。所谓障碍物的识别，实际上就是判别障碍物的位置、大小、距离等，这些环境信息的拾取就是安装在小车上的“眼睛”，当“眼睛”看到这些障碍物的时候，能够对小车障碍物进行识别和处理，因此，障碍物的检测具有准确性、灵敏性、抗干扰性。本文拟根据近年来电子设计竞赛中常出现的智能化控制，如小车避障、循迹等需要识别障碍物或轨迹的设计制作，对其中使用较多的反射式光电开关、超声波传感器、接近开关等传感器进行分析，以帮助或启发没计爱好者的设计灵感。一、反射式光电开关反射式光电开关是用来检测小车“视线”范围内的障碍物，它的“视线”范围就是光电开关的检测范围。这种类型的传感器有：漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关、槽式光电开关、光纤式光电开关。漫反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线发射到接收器，于是光电开关就产生一个开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。镜反射式光电开关也是集发射和接收于一体，光电开关发射器发射的光线经过发射镜，发射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发射的光直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当被检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。槽式光电开关通常是标准的U字形结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴。当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明和半透明的物体。光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被测物体不在相近区域的检测。本文只介绍漫反射式光电开关传感器。漫反射式光电开关E3F-DS10C4的接线图如图1所示。漫反射式光电开关E3F-DS10C4采用NPN三线输出方式，三线分别为直流电源线、输出端、地线，它的灵敏度可以调节，检测距离比较远，可以达到20cm。其工作原理是当前面有障碍物靠近时，接收端接收到足够的反射光，则输出端呈高电平；若是前面没有物体，则没有反射光，或反射光很弱，那么输出端就呈低电平。光电开关的检测不受外界干扰，可靠性高，使用方便。它的电源电压范围很大，如果电源为+5v，那么它的输出就可以直接为单片机所识别。二、超声波传感器众所周知，声波具有反射特性，在空气中的传播速度为340m/s，超声波也是如此.但是超声波指向性强、能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，利用超声波测距往往比较迅速、方便、计算简单、容易做到实时控制，因此，在移动物体（机器人、小车运动）的研制上得到广泛的应用.超声波的测距原理为：如果在超声波发射时开始计时，接收到反射波时停止计时，便可以根据计时间隔和超声波的传播速度计算出发射点到物体的距离。假如使用Vc表示超声波的传播速度，T表示发射至接收的时间间隔，S表示发射点到物体的距离，则S=VcT/2。现在常用的压电式超声波是利用压电晶体的谐振原理工作的，谐振频率一般为40kHz。发射电路的谐振频率既可以由硬件电路实现，也可以由单片机产生。利用单片机输出40kHz的方波更加容易、方便、易于控制。图2是单片机控制超声波测距的硬件示意图，图中利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。以下介绍一种以AT89C51单片机为核心的超声波测距应用电路。首先，其硬件电路图如图3所示。本系统采用AT89C51来实现对Polaroid600系列传感器和Polaroid6500超声波测距模块的控制，单片机通过Pl.0口经反相器来控制超声波的发射，然后单片机判断地检测INTO引脚，当INTO引脚的电平由高电平变为低电平时认为超声波已经返回。此时计数器所计的数据就是就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。其次，系统软件设计如图4所示。单片机AT89C51工作时，首先把Pl.0口置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器TO开始计时，由于采用的超声波传感器是收发一体的，因而在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，必须在启动发送信号后2.38ms才可以检测返回信号，这样就可以抑制输出的干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停地扫描INTO引脚，如果INTO引脚接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。三、接近开关接近开关一般根据其检测原理分为电感式接近开关、电容式接近开关和霍尔式接近开关。电感式接近开关是利用磁场的原理检测金属物体，电容式接近开关是利用电场的原理检测金属或非金属物体，霍尔式接近开关是利用霍尔效应来探测磁场。在各种小车类避障的设计中，障碍物一般都是金属物体，因此，本文主要介绍电感式接近开关的使用例子。它的性能稳定，可靠性高，且价格便宜。图5是电感式接近开关的工作原理框图。电感式接近开关的工作原理如下：电感式接近传感器是一种利用涡流感知物体接近的接近开关，属于一种有开关量输出的位置传感器。它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化（振荡减弱直至停振），由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断（振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出）。注意这种接近开关所能检测的物体必须是金属导电体。以上是三种能够检测障碍物的传感器，也是近年来在各种电子设计竞赛中使用比较多的类型。当然，其应