１探测障碍的原理

在室内自动感知障碍的设备中，常使用红外线探测障碍物的存在与否。探测的基本原理是：在测量的范围内，主动向探测方向发射红外信号，如果存在障碍物，就会把发射的信号反射回发送端。在发送端，如果收到反射的信号，就确认障碍物的存在。

但是在实际应用中，红外干扰源较多；而且在有反射光的情况下，由于光线的干扰，很容易判断失误，出现虚警。因此，有些设备在发射信号时，改进为发送一串连续的红外脉冲，然后接收反射的信号。如果接收到的红外脉冲数量超过某一门限值时，就判断障碍存在。这种方法尽管在一定程度上可以降低虚警率，但实验表明，在较强的反射光和使用电子镇流器方式的日光灯起辉时，仍很容易出现干扰现象。

本文提出解决干扰的方案是：由单片机控制发射有一定意义的红外编码脉冲串，同时，单片机接收该脉冲串。如果接收到的信号和发射的信号基本一致，才判断为有障碍物的存在。

探测障碍的原理框图如图１所示。

图１探测障碍原理框图

２电路设计

在实测电路中，使用台湾义隆公司的ＥＭ７８Ｐ１５６Ｅ单片机，红外发射管为ＭＩＥ５５２Ａ２，红外接收头为宁波雨晶微电子有限公司的ＮＢ００３８，电路如图２所示。

当需要探测障碍物时，单片机Ｕ１首先让Ｕ２红外接收头ＮＢ００３８接通电源。在发射电路中，Ｄ２为红外发射管，Ｕ１的Ｐ５１引脚输出编码脉冲，通过Ｑ２控制Ｄ２发射红外信号。当有红外信号进入接收头时，Ｕ２的输出端出现高电位，并送到Ｕ１的Ｐ６７引脚。

ＮＢ００３８是用于红外接收的一体化接收头，采用环氧树脂封装，把独立的ＰＩＮ二极管同前置放大器集成在同一封装上。其内部结构框图如图３所示。接收的载波中心频率为３８．０ｋＨｚ，

图３ＮＢ００３８内部结构框图

３编码脉冲的产生和接收

在实际使用中，由于ＥＭ７８Ｐ１５６Ｅ单片机的工作频率是４ＭＨｚ，载波脉冲采用２６ｕｓ，其中高电位是１０ｕｓ，低电位是１６ｕｓ，占空比是３８．５％。在产生载波时，要检测是否有反射信号。反射信号的检测是单片机利用低电位的１６ｕｓ时间内判断接收引脚是否存在相应的发射信号。

为了确定需要编码的调制信号脉冲宽度，在１０００个ＮＢ００３８的接收头中，随意选择３０个作实验。在约２０ｃｍ的距离内出现表面不光滑的障碍物，从单片机通过红外发射管发射信号到ＮＢ００３８接收信号，检测出现在接收引脚为高电平时的载波脉冲量如表１所列。

表1 载波脉冲数统计 典型值 最小值 最大值 脉冲数/个 9 13 16

因此，选择调制信号脉冲为２４个载波脉冲宽度为：２４×２６ｕｓ＝６２４ｕｓ

发射信号的格式如图４所示。

图４发射信号的格式

３．１编码＂１＂脉冲产生和接收

（１）产生一个占空比为３８．５％的载波脉冲

首先，使红外发射控制Ｐ５１＝１，发射红外信号，保持时间是１０ｕｓ。然后，重新使Ｐ５１＝０，停止发射红外信号，保持时间是１６ｕｓ，

（２）判断是否存在反射信号＂１＂

在发射到第１７，１９，２１和２３个载波脉冲时，在停止发射红外信号的１６ｕｓ内，检测接收引脚Ｐ５２。如果Ｐ５２＝１，则表明存在反射信号；如果Ｐ５２＝０，则认为无反射信号。在这４次判断过程中，如果有３次以上判断为存在反射信号，则确认接收到反射的＂１＂。

实现的软件流程如图５所示。

图５发送编码＂１＂流程

３．２编码＂０＂脉冲产生和接收

当发射＂０＂脉冲时，停止发送任何红外信号。

在相当于第１７，１９，２１和２３个载波脉冲时间的时候，检测接收引脚Ｐ５２。如果Ｐ５２＝１，则表明存在干扰的红外信号；如果Ｐ５２＝０，则表明没有其他红外信号的干扰。在这４次判断过程中，如果有３次以上判断为没有其他红外信号的干扰，则确认正确地接收到＂０＂。

实现的软件流程如图６所示。

图６发送编码＂０＂流程

４抗干扰能力分析

在应用中，发现发送和接收低于６位的编码脉冲，仍然有一定的受干扰现象发生；但发送和接收高于１０位的编码脉冲，已经具有较强的抗干扰能力。

实际上，在发送编码为＂０＂时，是没有红外信号存在的。对于随机而频繁的干扰信号，这时很容易检测到干扰的存在。

发送编码的实质是：

①当编码位为＂１＂时，检测是否存在障碍物。这时如果有信号的反射，则表明在测量的范围内有障碍物。如果接收不到反射的信号，说明没有障碍物，或者是障碍物超出测量的范围。

②当编码位为＂０＂时，检测是否存在干扰。这时如果有干扰信号，则表明发射＂１＂测到的障碍物，有可能是由于有干扰信号而导致的错误判断。

５编码的方案

应用中，发送编码的方案有３种：

发送较短的编码串（１０－１６位），判断时间约６－１０ｍｓ。在接收过程中，不能有一位的误码，否则认为是干扰，要等待下一次的障碍检测。这种方案在检测过程中，不能存在干扰。

发送大于１６位的编码串（１６－３２位），判断时间约１０－２０ｍｓ。对接收＂０＂和＂１＂的编码误码统计，其中可以根据应用场合的需要，存在１－２位＂０＂的误码和１－３位＂１＂的误码，这样能有效提高抗干扰能力。

发送大于３２位编码串，判断时间＞２０ｍｓ。根据实际情况来分析接收的编码，以判断障碍的存在。

实际应用中，采用２４位编码，分３次发出。３次发射的编码如表２所列。

表2 发射的脉冲编码表 发送顺序 编码 作用 发送间隔/ms 第一次，8位 10100101 防止1位的间隔干扰 - 第二次，10位 1100100011 防止2位的间隔干扰 2 第三次，6位 111000 防止3位的间隔干扰 1

当不多于2位"0"的误码和2位"1"的误码时，确认障碍物的存在。