反射式光中斷器物件檢測應(yīng)用及改善環(huán)境光干擾方式

一、簡介
隨著科技進(jìn)步，各種電子產(chǎn)品的自動化程度也跟著提高，自動化程度越高的產(chǎn)品，代表也包含了更多的感測元件。為了避免人眼被環(huán)境中各種產(chǎn)品或設(shè)備感測時發(fā)射的光干擾，所以使用人眼無法察覺的紅外線(Infrared; IR)產(chǎn)品做為感測器。這份應(yīng)用手冊將會介紹如何利用紅外線發(fā)射元件(Infrared Emitter)及紅外線接收元件(Infrared Receiver)作物體偵測應(yīng)用。

最常見的紅外線發(fā)射及接收元件就是紅外線發(fā)光二極體(IR Light-emitting diode; IR LED)及光電晶體(Photo Transistor; PT)，圖一為基本的 IR LED 搭配 PT 的應(yīng)用電路。

圖一、IR LED 及 PT 基本應(yīng)用電路

原理說明：

1、IR LED 為發(fā)射端，順向電流(Forward current; IF)越大發(fā)射的輻射強(qiáng)度越大。

2、PT 為接收端，收到的輻照度越大，產(chǎn)生的光電流 IC(on)越大。

3、調(diào)整 Rlimit 值可控制 IF 的大小。

4、調(diào)整 RL 值可控制 Vout 的大小。

5、Vout 可接 MCU 的 ADC(Analog-to-Digital Converter)或 GPIO 做準(zhǔn)位判斷。

判斷說明：

1、無輻照度時，PT 截止，Vout 輸出為高電位(Vcc)

2、輻照度低時，PT 導(dǎo)通，Vout 輸出為高電位(Vcc – (Ic x RL))

3、輻照度高時，PT 飽和，Vout 輸出為低電位(VCE(sat))
注：VCE(sat)為 PT 飽和電壓。
二、利用反射式 ITR 做物體偵測方法

IR LED 通常和 PT 一起搭配作為物體偵測或是遮斷偵測應(yīng)用。圖二為利用 IR LED 發(fā)射 IR 經(jīng)由物體反射到 PT 做反射式物體偵測的示意圖；為了避免 IR LED 發(fā)射的 IR 不經(jīng)過物體反射，直接在機(jī)構(gòu)內(nèi)照射到 PT 造成誤判，所以 IR LED 跟 PT 必須有效隔離。利用底下的兩項特性，即可做到反射的

距離偵測。

1、反射物距離越近，PT 收到的反射輻照度越強(qiáng)，輸出的電流會越高。

2、不同的材料會有不同的反射率，一般顏色越深、表面越粗糙的物體反射率越低，同距離情況下，

接收端輸出的電流相對會降低。

圖二、反射物的距離及材質(zhì)對物體偵測的影響

圖三、自帶隔離機(jī)構(gòu)的 IR LED+PT 組合元件 ITR

若使用直流(Direct current; DC)的偵測方式，在 ITR 被環(huán)境光照射時容易造成誤判。原因是 PT端無法分辨接收到的輻照度是來自于環(huán)境光，還是 IR 經(jīng)物體反射。改善方式如圖四，把 IR 的發(fā)射方式從 DC 改為脈衝(Pulse)，然后 PT 需分別偵測每次 IR Off 及 IR On 時的電壓值 Vout(Off)及Vout(On)，此時 Vout(Off)就代表環(huán)境光造成的偏移值(Offset)，Vout(On)代表的則是環(huán)境光加上 IR發(fā)射時的電壓值，故 Vout(On)和 Vout(Off)之間的電壓差就是單純 IR 發(fā)射時造成的電壓值。此方式除了可以降低環(huán)境光的干擾，也因為 IR 的發(fā)射是利用 Pulse 短時間點(diǎn)亮，故可以利用更強(qiáng)的電流驅(qū)動來偵測更遠(yuǎn)的距離。

圖四、改善環(huán)境光干擾的方式

圖五為 PT 實際輸出波形的例子，可發(fā)現(xiàn)在 IR 從 On 切換到 Off 時，PT 會有一段延遲時間，故在取樣 Vout(Off)時，需確認(rèn) PT 輸出電壓已經(jīng)穩(wěn)定，避免后續(xù)計算物體偵測變異量時造成誤判。

圖五、PT 的輸出電壓波形偵測

三、實例參考

圖六為一應(yīng)用電路圖范例，利用 MCU 的 GPIO 控制 MOSFET 的開、關(guān)來控制 IR 發(fā)射脈衝，并把 Vout 接到 MCU 的 ADC 接腳；利用調(diào)整 R limit、RL 的電阻值來確認(rèn)物體偵測的距離，最后利用

ADC 讀取的 Vout(Off)及 Vout(On)差異值來設(shè)定物體偵測的閥值。

參考圖四的方式控制 GPIO 及參考圖五的波形作 ADC 取樣時間設(shè)定，底下以使用億光ITR20001/T24 (Bin K)為例，IR on 時間長度為 350us，在 300us 時取樣 Vout(On)，IR Off 時間長度為 50ms，在 6ms 時取樣 Vout(Off)。Vcc = 5V，R limit= 82 ohm(IF ≒ 50mA)，RL= 150k ohm。建議閥值可設(shè)定在 ADC 最大值的 1/3 左右，此 1/3 值是為了保留給光干擾的 Offset 使用，此值設(shè)定越大抗光干擾能力越強(qiáng)，但物體偵測范圍會相對降低。圖七為採上述方式設(shè)定，并把 Vout 接到 ADC后，對不同偵測物的比較(Y 軸為 Vout(Off)與 Vout(On)差異的 ADC 讀值)。由圖中可看出反射物顏色越淺反射量越高，可偵測的距離范圍越大，一般會折中以灰卡做設(shè)計參考，以此圖為例，灰卡的可判斷的范圍約為 0.1~6cm，黑卡為 0.1~3.5cm，白卡為 0.1~9.5cm。

圖八為反射物灰卡配合 150k ohm 的 RL 做改變 IF 的測試，可發(fā)現(xiàn)當(dāng) IF 增加到 100mA 時，可判斷的范圍會增加為 0.1~9cm。

圖九為反射物灰卡配合 50mA 的 IF 做改變 RL 的測試，可發(fā)現(xiàn)當(dāng) RL 降低到 68k ohm 時，可判斷的范圍會降低到 0.1~4.5cm。

注：1. 若偵測物體跟 ITR 完全密合，因無反射路徑會使反射值為零。

2. 以上測試結(jié)果都是以 ITR 上方不加蓋板(單體裸測)。

圖六、應(yīng)用電路圖

圖七、不同顏色待測物對 ADC 讀值影響


圖八、不同 IF 對偵測距離的影響

圖九、不同 RL 對偵測距離的影響

四、結(jié)論

調(diào)整 IF 或 RL 可以調(diào)整物體偵測距離，若想增加偵測距離且無功耗考量，建議以增加 IF 優(yōu)先，因加大 RL 同時也會增加光干擾的強(qiáng)度；若是要降低偵測距離則以降低 RL 電阻值優(yōu)先，同時降低環(huán)境光干擾。