红外避障模块

作者：

hardihuang

编程示例：

介绍

红外技术可解决各种各样的无线应用。主要领域是感应和遥控器。在电磁光谱中，红外部分分为三个区域：近红外区域，中红外区域和远红外区域。

这些区域的波长及其应用如下所示。

近红外区— 700 nm至1400 nm —红外传感器，光纤
中红外区— 1400 nm至3000 nm —热敏
远红外区域-3000 nm至1 mm-热成像

红外的频率范围高于微波，但小于可见光。

对于光学传感和光学通信，近红外区域使用了光电技术，因为当实现为信号源时，光的复杂度不如RF。光学无线通信通过IR数据传输完成，适用于短距离应用。

红外传感器发出和/或检测红外辐射以感测其周围环境。

任何红外传感器的工作都受以下三个法律约束：普朗克辐射定律，斯蒂芬-玻尔兹曼定律和维恩位移定律。

普朗克定律指出“每个物体都在不等于0 ⁰ K的温度下发射辐射 ”。斯蒂芬-玻尔兹曼定律指出，“在所有波长下，黑体发出的总能量与绝对温度的四次方成正比”。根据维恩位移定律，“黑体在不同温度下的辐射曲线将在与温度成反比的波长处达到其峰值”。

用作障碍检测器的红外传感器的基本概念是传输红外信号，该红外信号从物体表面反射，然后在红外接收器处接收。

典型的红外检测系统使用五个基本元素：红外源，传输介质，光学组件，红外检测器或接收器以及信号处理。特定波长的红外激光和红外LED可用作红外源。用于红外传输的三种主要类型的介质是真空，大气和光纤。光学组件用于聚焦红外辐射或限制光谱响应。

由石英，锗和硅制成的光学透镜用于聚焦红外辐射。红外接收器可以是光电二极管，光电晶体管等。红外接收器的一些重要规格是光敏性，检测性和噪声等效功率。信号处理由放大器完成，因为红外检测器的输出很小。

红外传感器的类型

红外传感器可以是被动的也可以是主动的。被动红外传感器基本上是红外探测器。无源红外传感器不使用任何红外源，而是检测视野中障碍物发出的能量。它们有两种类型：量子和热。热红外传感器使用红外能量作为热源，并且与波长无关。热电偶，热电探测器和辐射热计是热红外探测器的常见类型。

量子型红外探测器提供更高的检测性能，并且比热型红外探测器更快。量子型探测器的光敏性与波长有关。量子类型检测器进一步分为两种类型：本征型和非本征型。本征型量子检测器是光电导电池和光伏电池。

有源红外传感器由两个元素组成：红外源和红外检测器。红外光源包括LED或红外激光二极管。红外探测器包括光电二极管或光电晶体管。红外源发出的能量被物体反射并落在红外探测器上。

红外线发射器

红外发射器是一种发射红外辐射的发光二极管（LED）。因此，它们被称为IR LED。即使IR LED看起来像普通LED，但它发出的辐射对于人眼是不可见的。

典型的红外LED的图片如下所示。

红外发射器的类型不同，具体取决于它们的波长，输出功率和响应时间。

可以使用红外LED，限流电阻和电源来构建简单的红外发射器。典型的红外发射器的原理图如下所示。

当以5V的电源工作时，红外发射器消耗大约3到5 mA的电流。可以调制红外发射器以产生特定频率的红外光。最常用的调制是OOK（ON-OFF-KEYING）调制。

红外发射器可以在几种应用中找到。一些应用需要红外热，最好的红外源是红外发射器。当红外发射器与Quartz一起使用时，可以制造太阳能电池。

红外线接收器

红外接收器也称为红外传感器，因为它们检测来自IR发射器的辐射。红外接收器以光电二极管和光电晶体管的形式出现。红外光电二极管与普通光电二极管不同，因为它们仅检测红外辐射。典型的红外接收器或光电二极管的图片如下所示。

根据波长，电压，封装等不同，存在不同类型的IR接收器。在红外发射器－接收器组合中使用时，接收器的波长应与发射器的波长匹配。

下面显示了使用光电晶体管的典型红外接收器电路。

它由一个红外光电晶体管，一个二极管，一个MOSFET，一个电位计和一个LED组成。当光电晶体管接收到任何红外辐射时，电流就会流过该晶体管，并且MOSFET导通。这反过来会点亮充当负载的LED。电位器用于控制光电晶体管的灵敏度。

工作原理

可以使用下图说明将IR传感器用作对象检测传感器的原理。红外传感器由一个红外LED和一个红外光电二极管组成。它们一起被称为照片–耦合器或光电–耦合器。

当红外发射器发出辐射时，它会到达物体，并且一些辐射会反射回红外接收器。根据红外接收器的接收强度，定义传感器的输出。

障碍物感应电路或红外传感器电路

典型的红外感应电路如下所示。

它由一个红外LED，一个光电二极管，一个电位计，一个IC运算放大器和一个LED组成。

IR LED发出红外光。光电二极管检测红外光。IC Op – Amp用作电压比较器。电位器用于根据需要校准传感器的输出。

当IR LED发射的光撞击物体后入射到光电二极管上时，光电二极管的电阻将从巨大的值下降。运算放大器的输入之一是由电位计设置的阈值。运算放大器的另一个输入来自光电二极管的串联电阻。当入射辐射更多地入射在光电二极管上时，串联电阻两端的电压降将很高。在IC中，比较阈值电压和串联电阻两端的电压。如果电阻串联到光电二极管的电压大于阈值电压，则IC Op – Amp的输出为高。当IC的输出连接到LED时，它点亮。可以根据环境条件通过调节电位器来调节阈值电压。

IR LED和IR接收器的位置是重要因素。当IR LED直接位于IR接收器的前面时，此设置称为直接入射。在这种情况下，来自IR LED的几乎所有辐射都将落在IR接收器上。因此，红外发射器和接收器之间存在视线通信。如果物体落在该直线上，则它会通过反射辐射或吸收辐射来阻止辐射到达接收器。

区分黑白颜色

黑色通常吸收入射在其上的全部辐射，而白色则反射入射在其上的全部辐射是普遍的。基于此原理，可以进行传感器对的第二次定位。IR LED和光电二极管并排放置。当红外发射器发射红外辐射时，由于发射器和接收器之间没有直接接触线，因此发射的辐射必须在碰到任何物体后反射回光电二极管。物体的表面可以分为两种类型：反射表面和非反射表面。如果物体表面本质上是反射性的，即它是白色或其他浅色，则入射在其上的大部分辐射将被反射回并到达光电二极管。根据反射回来的辐射强度，

如果物体表面本质上是非反射性的，即它是黑色或其他深色，它几乎吸收了入射在其上的所有辐射。由于没有反射辐射，因此没有入射光入射在光电二极管上，并且光电二极管的电阻保持较高，不允许电流通过。这种情况类似于根本没有物体。

上述方案的图示如下所示。

红外发射器和接收器的定位和封装非常重要。发射器和接收器都必须以一定角度放置，以便正确检测物体。该角度是传感器的方向性，为+/- 45度。

方向性如下所示。

为了避免来自周围物体（不是物体）的反射，必须正确封装红外发射器和红外接收器。通常，外壳由塑料制成，并涂有黑色。

编程示例： #

1、串口返回前方障碍物的状态：

#define IR 2   
int detection = HIGH;    // no obstacle
void setup() {
  Serial.begin(9600);   
  pinMode(IR, INPUT); 
}
void loop() {  
  detection = digitalRead(IR);
  if(detection == LOW){
    Serial.print("There is an obstacle!\n");
  }
  else{ 
    Serial.print("No obstacle!\n");
  }
  delay(500);    // in ms
}

2、控制LED

#define IR 2    // digital pin input for ir sensor
int detection = HIGH;    // no obstacle
int i = 0;
// array digital pin for: green led(3,4,5) - white led (6,7,8)- red led (9,10,11)
int LedPIN[] = {3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11};   
 
void setup() {
  pinMode(IR, INPUT);
  for(i = 0; i < 9; i++){
    pinMode(LedPIN[i], OUTPUT);   
  } 
}
void loop() {
  detection = digitalRead(IR);
  if(detection == LOW){ 
    BlinkLED();
  }          
  else{                 
    LedOFF();
  }      
  delay(1);
}

reference：

https://www.electronicshub.org/ir-sensor/

词条更新于 2021年5月27日

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