用單片機控制紅外編碼探測障礙物

介紹使用基于單片機控制紅外編碼探測障礙的方案及實現的方法，以解決使用紅外線自動感知障礙設備時出現的接收設備本身主動發送信號的干擾問題。該方案已應用于一種單片機控制的自動給液器中，能有效抵抗干擾信號，并穩定地運行于各種不同的場合；該方案也可應用在以無線電波和超聲波為介質的障礙物測量中。

關鍵詞 單片機 紅外 編碼 探測 抗干擾

1? 探測障礙的原理

　　在室內自動感知障礙的設備中，常使用紅外線探測障礙物的存在與否。探測的基本原理是：在測量的范圍內，主動向探測方向發射紅外信號，如果存在障礙物，就會把發射的信號反射回發送端。在發送端，如果收到反射的信號，就確認障礙物的存在。

　　但是在實際應用中，紅外干擾源較多；而且在有反射光的情況下，由于光線的干擾，很容易判斷失誤，出現虛警。因此，有些設備在發射信號時，改進為發送一串連續的紅外脈沖，然后接收反射的信號。如果接收到的紅外脈沖數量超過某一門限值時，就判斷障礙存在。這種方法盡管在一定程度上可以降低虛警率，但實驗表明，在較強的反射光和使用電子鎮流器方式的日光燈起輝時，仍很容易出現干擾現象。

　　本文提出解決干擾的方案是：由單片機控制發射有一定意義的紅外編碼脈沖串，同時，單片機接收該脈沖串。如果接收到的信號和發射的信號基本一致，才判斷為有障礙物的存在。

　　探測障礙的原理框圖如圖1所示。

圖1? 探測障礙原理框圖

2? 電路設計

　　在實測電路中，使用***義隆公司的EM78P156E單片機，紅外發射管為MIE552A2，紅外接收頭為寧波甬晶微電子有限公司的NB0038，電路如圖2所示。

圖2? 紅外編碼探測障礙電路

　　當需要探測障礙物時，單片機U1首先讓U2紅外接收頭 NB0038接通電源。在發射電路中，D2為紅外發射管，U1的P51引腳輸出編碼脈沖，通過Q2控制D2發射紅外信號。當有紅外信號進入接收頭時，U2的輸出端出現高電位，并送到U1的P67引腳。

　　NB0038是用于紅外接收的一體化接收頭，采用環氧樹脂封裝，把獨立的PIN二極管同前置放大器集成在同一封裝上。其內部結構框圖如圖3所示。接收的載波中心頻率為38.0 kHz。

圖3? NB0038內部結構框圖

3? 編碼脈沖的產生和接收

　　在實際使用中，由于EM78P156E單片機的工作頻率是4 MHz，載波脈沖采用26 μs,其中高電位是10 μs,低電位是16 μs,占空比是38.5%。在產生載波時，要檢測是否有反射信號。反射信號的檢測是單片機利用低電位的16 μs時間內判斷接收引腳是否存在相應的發射信號。

　　為了確定需要編碼的調制信號脈沖寬度，在1 000個NB0038的接收頭中，隨意選擇 30個作實驗。在約20 cm的距離內出現表面不光滑的障礙物，從單片機通過紅外發射管發射信號到NB0038接收信號，檢測出現在接收引腳為高電平時的載波脈沖量如表1所列。

表1? 載波脈沖數統計

　　因此，選擇調制信號脈沖為24個載波脈沖寬度為：

　　發射信號的格式如圖4所示。

圖4? 發射信號的格式

3.1? 編碼“1”脈沖產生和接收

（1） ?產生一個占空比為38.5%的載波脈沖
　　首先，使紅外發射控制P51=1,發射紅外信號，保持時間是10 μs。然后，重新使P51=0,停止發射紅外信號，保持時間是16 μs。

（2）? 判斷是否存在反射信號“1”
　　在發射到第17、19、21和23個載波脈沖時，在停止發射紅外信號的16 μs內，檢測接收引腳P52。如果P52＝1，則表明存在反射信號；如果P52＝0，則認為無反射信號。

　　在這4次判斷過程中，如果有3次以上判斷為存在反射信號，則確認接收到反射的“1”。

　　實現的軟件流程如圖5所示。

3.2? 編碼“0”脈沖產生和接收

　　當發射“0”脈沖時，停止發送任何紅外信號。

　　在相當于第17、19、21和23個載波脈沖時間的時候，檢測接收引腳P52。如果P52＝1，則表明存在干擾的紅外信號；如果P52＝0，則表明沒有其他紅外信號的干擾。

　　在這4次判斷過程中，如果有3次以上判斷為沒有其他紅外信號的干擾，則確認正確地接收到“0”。

　　實現的軟件流程如圖6所示。

圖5? 發送編碼“1”流程

圖6? 發送編碼“0”流程

4? 抗干擾能力分析

　　在應用中，發現發送和接收低于6位的編碼脈沖，仍然有一定的受干擾現象發生；但發送和接收高于10位的編碼脈沖,已經具有較強的抗干擾能力。實際上，在發送編碼為“0”時，是沒有紅外信號存在的。對于隨機而頻繁的干擾信號，這時很容易檢測到干擾的存在。

　　發送編碼的實質是：

　　①? 當編碼位為“1”時，檢測是否存在障礙物。這時如果有信號的反射，則表明在測量的范圍內有障礙物。如果接收不到反射的信號，說明沒有障礙物，或者是障礙物超出測量的范圍。
　　② ?當編碼位為“0”時，檢測是否存在干擾。這時如果有干擾信號，則表明發射“1”測到的障礙物，有可能是由于有干擾信號而導致的錯誤判斷。

5? 編碼的方案

　　應用中，發送編碼的方案有3種：

　　①? 發送較短的編碼串（10~16位），判斷時間約6~10 ms。在接收過程中，不能有一位的誤碼，否則認為是干擾，要等待下一次的障礙檢測。這種方案在檢測過程中，不能存在干擾。
　　② ?發送大于16位的編碼串（16~32位），判斷時間約10~20 ms。對接收“0”和“1”的編碼誤碼統計，其中可以根據應用場合的需要,存在 1~2位“0”的誤碼和 1~3位“1”的誤碼，這樣能有效提高抗干擾能力。
　　③ ?發送大于32位編碼串，判斷時間 >20 ms。根據實際情況來分析接收的編碼，以判斷障礙的存在。

　　實際應用中，采用24位編碼，分3次發出。3次發射的編碼如表2所列。

表2? 發射的脈沖編碼表

　　當不多于2位“0”的誤碼和2位“1”的誤碼時，確認障礙物的存在。