采用PSD的智能红外测距仪

采用PSD 的智能红外测距仪
An Intelligent Infrared R ay Distance Measurement Instrument Using PSD
　●王占强 徐伟弘 汪开源
W ang Zhanqiang Xu Weihong W ang K aiyuan
王占强,现在东南大学电子工程系602教研室工作。

地址:南京市　邮政编码:210096
收稿日期:1996年5月27日(磁盘来稿)
1　引言
目前的红外测距普遍采用检测反射光量大
小的光电式传感器,在被测物体的颜色、光反射率不同时,光点亮度大小的变化将使检测精度变差,且背景光对检测精度影响很大。

为了克服上述问题,本文介绍一种由8031单片机系统控制、采用新型位敏器件PSD 和专用集成电路H2476等组成的红外测距系统。

2　PSD 及其测距原理
光电位置敏感器件PSD[1](Position Sen -sitive Detector )是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件。

即当入射光点落在器件
感光面的不同位置时,PSD 将对应输出不同的电信号。

通过对此输出电信号的处理,即可确定入射光点在PSD 器件感光面上的位置。

入射光点的强度和尺寸大小对PSD 的位置输出信号均无关。

PSD 的位置输出只与入射光点的“重心”位置有关。

所以由PSD 构成的距离测量系统不受被测物体的颜色、反射率等形成的光量变化的影响。

PSD 可分为一维PSD 和二维PSD 。

一维PSD 可以测定光点的一维位置坐标,而二维PSD 则可以检测出光点的平面位置坐标。

由于PSD 是非分割型元件,对光斑的形状无严格的要求,所以对光斑位置可进行连续测量,从而获得连续的坐标信号。

应用PSD 进行距离的测量是利用了光学三角测距的原理。

如图1所示,光源发出的光经透镜L1聚焦后投射向待测体,反射光由透
镜L2聚焦到一维PSD 上。

若透镜L1与L2间的中心距离为b ,透镜L2到PSD 表面之间的距离(即透镜L2的焦距)为f ,聚焦在PSD 表面的光点距离透镜L2中心的距离为x ,则根据相似三角形的性质,可得出待测距离D 为:
D =bf /x
(1
)图1PSD 测距原理图
因此,只要测出PSD 的光点位置坐标x 的值,即可测出待测体的距离。

由PSD 的基本原理可知,随着入射光点位置坐标x 的不同,其两个信号电极的输出电流将随之变化。

经PSD 信号处理电路H2476的处理后,输出的电压值与x 的坐标值成正比关系。

可见,只要根据处理电路输出的电压值,就可得到光点位置坐标x 的值,从而得出待测物体的距离。

3　测距系统的组成及其工作原理
系统的硬件原理框图如图2所示。

系统的测距频率由8031单片机的定时器T0的时间常数决定。

T0的定时中断服务子程
序读入P2.7脚的电压信号,求反后再输出,单稳电路的受触发输出连接到PSD 信号处理专
图2系统框图
用集成电路H2476的外触发端,H2476便产生一个同频率的脉冲信号使L ED 恒流驱动电路工作,驱动L ED 发出红外光脉冲。

经待测定物反射后,红外光照射在PSD 的光敏面上。

PSD 检测到入射光点的位置坐标后输出相应的光生电流信号,该电流信号经H2476的处理后输出一模拟电压信号。

该电压信号经过再放大与调整后由AD574转换为数字信号,送经8031单片机的P1口。

8031的P0口与74L S373八位D 锁存器作为地址/数据复用口,P2口的低七
位作为高七位地址。

系统配有一片2764E 2PROM 作为外部程序存储器,由一片键盘显示器专用控制芯片8279完成显示和键盘输入功能。

其中键盘设置10个数字键、6个功能键。

显示器为6位L ED 显示。

系统连接打印机,可定时打印有关数据和内容。

4　PSD 信号处理专用集成电路H2476
H2476是一种高速、高灵敏度的PSD 信号专用处理电路。

它能提供高达700Hz 的采样频率,可以检测到仅为1nA 的电流。

H2476的抗干扰能力较强,它可以工作在小信号、背景杂乱的
情况下,图3的虚框内为H2476的原理框图。

4.1　背景光和暗电流消除电路 通常,PSD 在使用时总存在一定强度的背景光,背景光强的变化将会引起检测的误差。

并且当背景光较强时,信号光点强度的变化也将影响检测的结果。

因此,背景光的存在对PSD 的使用是极为不利的。

消除背景光影响的方法通常有两种:光学法和电学法。

电学法又可分采样—保持法和调制法两种。

采样—保持法就是先检测出信号光源熄灭时的背景光强的大小,然后点亮光源,将检测到的输出信号减去背景光的成分。

环境温度的上升会引起PSD 暗电流的增大,暗电流的存在不仅要带来误差和噪声,而且具有类似背景光产生的不利效应。

H2476的背景光和暗电流消除电路采用的是电学法中的采样—保持法。

它要求外部电路提供两个电容MCP 和MCM ,用来存储检测光脉冲发出前PSD 受背景光和暗电流的影响而产生的直流电流IP 和IM 。

这样当脉冲光到来后,放大电路放大的仅仅是当前的总电流与背景光和暗电流所产生电流的差值△IP 和△IM
,
图3H2476的原理框图
仪器仪表与装置
这样便大大增强了H2476抗背景光干扰的能力,提高了检测的精度。

4.2　信号放大电路
缓冲放大器输出的电压△VP、△VM由下式给出:
ΔV P=(2K T/q)l n(1+2ΔI P)(2)
ΔV M=(2K T/q)l n(1+2ΔIM)(3)式中,q──电子电荷,C
K──波尔兹曼常数,J/K
T──绝对温度,K
△I──脉冲光电流,nA
这两个电压由差分放大器进行差分放大,输出电压正比于△VP和△VM的差,即:
V out∝(ΔV P-ΔV M)∝(l nΔI P-l nΔIM) =l n(ΔI P/ΔIM) (4) 输出电压最后经S/H电路输出模拟信号。

4.3　H2476的工作时序
H2476的工作时序如图4所示。

当外触发信号由高电平变为低电平后,经过时间tL(不小于0.163ms),上一次的测距终了信号将变成高电平(无效状态),其模拟信号的输出也将消失。

此后,经过时间ts后(0.219ms<ts<0.570ms),H2476发出L ED驱动触发信号(低电平有效),L ED开始发射红外光,持续时间tw约为375μs,大约经过2/3的tw时间即250μs后,H2476便可输出本次测距的模拟电压信号,并通过测距终了信号指示。

外触发信号周期tp不得小于1.5ms。

图4H2476的工作时序图
5　软件设计
系统上电后,首先对定时器T0、各I/O口、8279等进行初始化。

然后执行主程序,根据键盘的输入和不同的中断,程序散转执行不同的功能。

测距各程序流程图如图5所示。

图5测距程序流程图
采用PSD的智能红外测距仪王占强徐伟弘汪开源
主程序查询系统是否已经测距M次,(M 次测量结果求平均)如已达M次,则转入数据处理子程序。

将要处理的M个数据先转移到一特定单元区,修改程序指针PC的值。

调用算法子程序,经数字滤波、数字平滑后,将电压数值转换成距离数据,再处理后送8279显示,送打印机打印输出。

CPU响应定时器T0的中断以后,就转向执行相应的中断服务子程序,读P2.7口的值,求反后输出,单稳的输出信号作为H2476的外触发信号激励H2476进行测距。

测距完成后,H2476的测距终了信号会激活IN T1。

CPU响应IN T1的中断后,首先启动A/D转换器,查询到A/D转换结束的信号后,从P1口读入数据放入指针所指的RAM单元,指针数值自动增1。

由于T0的优先级较IN T1的优先级高,就能保证系统按预定的频率测距,提高系统的效率。

由于IN T0的优先级最高,所以系统在任何时侯都能及时地响应键盘。

可按用户的要求及时地调整系统的工作方式和状态。

6　结束语
该测距系统由于采用了新型位置敏感器件PSD及其专用处理电路H2476,系统得到了简化,抗干扰能力和精度都得到了较大的提高。

由于H2476具有很高的检测灵敏度、较强的抗干扰能力,所以应用H2476的测距系统的测距范围较大。

我们按上述的原理作出的样机可在-15～50℃的温度范围内工作,测距范围为1～5米,测量精度可达1毫米。

该系统可进行连续测距(最高频率可达700Hz),可适用于许多实时性要求较高的非接触测量场合。

本文介绍的系统,硬软件稍加改动,便可以适用于非接触测量的许多场合,具有推广价值。

■
参考文献
　1钱浚霞,郑坚立.光电检测技术.机械工业出版社,1992,P135～145.
　2HAMAMA TSU TECHN ICAL DA TA RAN GE-FINDER IC H2476…HAMAMA TSU PHO TON2
ICS.
　3薛钧义等.MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用.西安交通大学出版社,1990.
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