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基于EM78P156E單片機實現紅外探測障礙的應用設計

電子設計 ? 來源:單片機與嵌入式系統應用 ? 作者:謝洪 ? 2020-11-19 10:22 ? 次閱讀

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。

基于EM78P156E單片機實現紅外探測障礙的應用設計

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。

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5 發送編碼“1”流程

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。

責任編輯:gt

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