基于EM78P156E單片機(jī)實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)障礙的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1 探測(cè)障礙的原理

在室內(nèi)自動(dòng)感知障礙的設(shè)備中，常使用紅外線探測(cè)障礙物的存在與否。探測(cè)的基本原理是：在測(cè)量的范圍內(nèi)，主動(dòng)向探測(cè)方向發(fā)射紅外信號(hào)，如果存在障礙物，就會(huì)把發(fā)射的信號(hào)反射回發(fā)送端。在發(fā)送端，如果收到反射的信號(hào)，就確認(rèn)障礙物的存在。

但是在實(shí)際應(yīng)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(xiàn)虛警。因此，有些設(shè)備在發(fā)射信號(hào)時(shí)，改進(jìn)為發(fā)送一串連續(xù)的紅外脈沖，然后接收反射的信號(hào)。如果接收到的紅外脈沖數(shù)量超過某一門限值時(shí)，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(shí)驗(yàn)表明，在較強(qiáng)的反射光和使用電子鎮(zhèn)流器方式的日光燈起輝時(shí)，仍很容易出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。

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

探測(cè)障礙的原理框圖如圖1所示。

圖1 探測(cè)障礙原理框圖

2 電路設(shè)計(jì)

在實(shí)測(cè)電路中，使用臺(tái)灣義隆公司的EM78P156E單片機(jī)，紅外發(fā)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(cè)障礙電路

當(dāng)需要探測(cè)障礙物時(shí)，單片機(jī)U1首先讓U2紅外接收頭 NB0038接通電源。在發(fā)射電路中，D2為紅外發(fā)射管，U1的P51引腳輸出編碼脈沖，通過Q2控制D2發(fā)射紅外信號(hào)。當(dāng)有紅外信號(hào)進(jìn)入接收頭時(shí)，U2的輸出端出現(xiàn)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(huán)氧樹脂封裝，把獨(dú)立的PIN二極管同前置放大器集成在同一封裝上。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。接收的載波中心頻率為38.0 kHz。

圖3 NB0038內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

3 編碼脈沖的產(chǎn)生和接收

在實(shí)際使用中，由于EM78P156E單片機(jī)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(chǎn)生載波時(shí)，要檢測(cè)是否有反射信號(hào)。反射信號(hào)的檢測(cè)是單片機(jī)利用低電位的16 μs時(shí)間內(nèi)判斷接收引腳是否存在相應(yīng)的發(fā)射信號(hào)。

為了確定需要編碼的調(diào)制信號(hào)脈沖寬度，在1 000個(gè)NB0038的接收頭中，隨意選擇 30個(gè)作實(shí)驗(yàn)。在約20 cm的距離內(nèi)出現(xiàn)表面不光滑的障礙物，從單片機(jī)通過紅外發(fā)射管發(fā)射信號(hào)到NB0038接收信號(hào)，檢測(cè)出現(xiàn)在接收引腳為高電平時(shí)的載波脈沖量如表1所列。

表1 載波脈沖數(shù)統(tǒng)計(jì)

因此，選擇調(diào)制信號(hào)脈沖為24個(gè)載波脈沖寬度為：

發(fā)射信號(hào)的格式如圖4所示。

圖4 發(fā)射信號(hào)的格式

3.1 編碼“1”脈沖產(chǎn)生和接收

（1） 產(chǎn)生一個(gè)占空比為38.5%的載波脈沖

首先，使紅外發(fā)射控制P51=1，發(fā)射紅外信號(hào)，保持時(shí)間是10 μs。然后，重新使P51=0，停止發(fā)射紅外信號(hào)，保持時(shí)間是16 μs。

（2） 判斷是否存在反射信號(hào)“1”

在發(fā)射到第17、19、21和23個(gè)載波脈沖時(shí)，在停止發(fā)射紅外信號(hào)的16 μs內(nèi)，檢測(cè)接收引腳P52。如果P52＝1，則表明存在反射信號(hào)；如果P52＝0，則認(rèn)為無反射信號(hào)。

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(hào)，則確認(rèn)接收到反射的“1”。

實(shí)現(xiàn)的軟件流程如圖5所示。

3.2 編碼“0”脈沖產(chǎn)生和接收

當(dāng)發(fā)射“0”脈沖時(shí)，停止發(fā)送任何紅外信號(hào)。

在相當(dāng)于第17、19、21和23個(gè)載波脈沖時(shí)間的時(shí)候，檢測(cè)接收引腳P52。如果P52＝1，則表明存在干擾的紅外信號(hào)；如果P52＝0，則表明沒有其他紅外信號(hào)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(hào)的干擾，則確認(rèn)正確地接收到“0”。

實(shí)現(xiàn)的軟件流程如圖6所示。

圖5 發(fā)送編碼“1”流程

圖6 發(fā)送編碼“0”流程

4 抗干擾能力分析

在應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)發(fā)送和接收低于6位的編碼脈沖，仍然有一定的受干擾現(xiàn)象發(fā)生；但發(fā)送和接收高于10位的編碼脈沖，已經(jīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。實(shí)際上，在發(fā)送編碼為“0”時(shí)，是沒有紅外信號(hào)存在的。對(duì)于隨機(jī)而頻繁的干擾信號(hào)，這時(shí)很容易檢測(cè)到干擾的存在。

發(fā)送編碼的實(shí)質(zhì)是：

① 當(dāng)編碼位為“1”時(shí)，檢測(cè)是否存在障礙物。這時(shí)如果有信號(hào)的反射，則表明在測(cè)量的范圍內(nèi)有障礙物。如果接收不到反射的信號(hào)，說明沒有障礙物，或者是障礙物超出測(cè)量的范圍。

② 當(dāng)編碼位為“0”時(shí)，檢測(cè)是否存在干擾。這時(shí)如果有干擾信號(hào)，則表明發(fā)射“1”測(cè)到的障礙物，有可能是由于有干擾信號(hào)而導(dǎo)致的錯(cuò)誤判斷。

5 編碼的方案

應(yīng)用中，發(fā)送編碼的方案有3種：

① 發(fā)送較短的編碼串（10“16位），判斷時(shí)間約6”10 ms。在接收過程中，不能有一位的誤碼，否則認(rèn)為是干擾，要等待下一次的障礙檢測(cè)。這種方案在檢測(cè)過程中，不能存在干擾。

② 發(fā)送大于16位的編碼串（16“32位），判斷時(shí)間約10”20 ms。對(duì)接收“0”和“1”的編碼誤碼統(tǒng)計(jì)，其中可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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(fā)送大于32位編碼串，判斷時(shí)間 》20 ms。根據(jù)實(shí)際情況來分析接收的編碼，以判斷障礙的存在。

實(shí)際應(yīng)用中，采用24位編碼，分3次發(fā)出。3次發(fā)射的編碼如表2所列。

表2 發(fā)射的脈沖編碼表

當(dāng)不多于2位“0”的誤碼和2位“1”的誤碼時(shí)，確認(rèn)障礙物的存在。

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