用單片機控制紅外編碼探測障礙物

　　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，使用臺灣義隆公司的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。

              圖5  發送編碼“1”流程

　　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。