基于紅外線的光電效應自動避障裝置

2018-01-30 08:46:44吳承威王哲峰吳哲董齊張馨丹

智富時代 2018年10期

吳承威王哲峰吳哲董齊張馨丹

【摘要】光子在傳播過程中，隨著傳播距離的增加，能量損耗也會增大。設置光線發射器，利用光敏元件，對反射回來的光線能量進行測量，根據其能量大小，換算出光源距離障礙物的距離，結合制動裝置的控制，即可實現自動避障。

【關鍵詞】自動避障；反射光子能量

一、自動避障裝置物理原理

光電效應：光是由一份一份不連續的光子組成，當某一光子照射到對光靈敏的物質（如硒）上時，它的能量可以被該物質中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量后，動能立刻增加；如果動能增大到足以克服原子核對它的引力，就能在十億分之一秒時間內飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。單位時間內，入射光子的數量愈大，飛逸出的光電子就愈多，光電流也就愈強，這種由光能變成電能自動放電的現象，就叫光電效應。

只要光的頻率超過某一極限頻率，受光照射的金屬表面立即就會逸出光電子，發生光電效應。當在金屬外面加一個閉合電路，加上正向電源，這些逸出的光電子全部到達陽極便形成所謂的光電流。在入射光一定時，增大光電管兩極的正向電壓，提高光電子的動能，光電流會隨之增大。但光電流不會無限增大，要受到光電子數量的約束，有一個最大值，這個值就是飽和電流。所以，當入射光強度增大時，根據光子假設，入射光的強度（即單位時間內通過單位垂直面積的光能）決定于單位時間里通過單位垂直面積的光子數，單位時間里通過金屬表面的光子數也就增多，于是，光子與金屬中的電子碰撞次數也增多，因而單位時間里從金屬表面逸出的光電子也增多，電流也隨之增大。

本裝置利用光電效應的這一性質，運用半導體自制光敏原件，它是涂于玻璃底板上的一薄層半導體物質，半導體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大。

在黑暗的環境下，它的阻值很高；當受到光照并且光輻射能量足夠大時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，成為自由電子，同時產生空穴，電子—空穴對的出現使電阻率變小。光照愈強，光生電子—空穴對就越多，阻值就愈低。當其兩端加上電壓后，流過元件的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子-空穴對逐漸復合，電阻也逐漸恢復原值，電流也逐漸減小。本項目利用光電效應的內光電效應，設置光子發射裝置和光子接收裝置。

考慮到紅外線具有環境適應性好，發射系統體積小，不易被電磁波干擾等優點，信號采用紅外線二極管進行發射。紅外發射二極管分為很多種。本次設計所使用的是峰值波長為940nm的紅外發射二極管。940nm紅外發射二極管優點：光強度高，響應速度快，可用脈沖驅動，無色透明環氧樹脂。其主要應用領域：紅外遙控系統，紅外探測系統，紅外幕墻保安系統。在使用紅外發射二極管時，發射管的輻射強度（Power）與輸入電流（If）成正比。輻射強度用以表示紅外線發光二極管（IR）其輻射紅外線能量之大小。發射距離與輻射強度（Power）成正比。

可見光經由反射面反射后，能量強度會發生變化，主要源于光子在反射面上的能量損耗和光子在傳播路徑上的能量損耗。光子在接觸面的能量損耗各個情況下基本相同，但是在傳播過程中，光路的傳播路徑越長，能量消耗越大。利用這一原理，我們可以在物體上放置光源發射裝置和接收裝置，接收裝置由光敏元件制成，根據其光子強度越高，電阻越大的特點，可以將光信號轉變為電信號，從而通過對電流的檢測直接獲得和障礙物之間的距離。

二、自動壁障裝置方案設計

本裝置可以分為兩個部分：信號發射和接收部分，信號處理部分。

信號發射和接收部分：本裝置主要承擔信號發射工作，考慮到紅外線具有環境適應性好，發射系統體積小，不易被電磁波干擾等優點，信號采用紅外線二極管進行發射。紅外發射二極管分為很多種。本次設計所使用的是峰值波長為940nm的紅外發射二極管。在使用紅外發射二極管時，發射管的輻射強度（Power）與輸入電流（If）成正比。輻射強度用以表示紅外線發光二極管（IR）其輻射紅外線能量之大小。發射距離與輻射強度（Power）成正比。我們采用穩壓二極管對返程紅外線進行接收。利用光敏元件的光電導效應，將光信號轉變為電信號。（光電導效應：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電導率的變化。當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材料，且光輻射能量又足夠強，光電材料價帶上的電子將被激發到導帶上去，使光導體的電導率變大。）

信號處理部分：在此裝置具體實驗時，以自制小車為例，在小車車頭左右兩側部位分別安裝一個紅外線的發射和接收裝置。本部分結合STC89C52單片機，通過分析從光敏電阻傳來的電信號，來實現具體調控避障。在實際應用時，可以將其連接在小車或其他裝置的電機上來達到通過光信號對電機的具體調控。在其單側檢測到前方有障礙物時，小車進行轉向躲避障礙物，（下轉第819頁）

（上接第817頁）若兩側均檢測到障礙物時，小車倒車轉向，實現光電壁障。

三、自動壁障裝置實際應用

將本裝置應用于自制電機四輪小車上時，在小車的左前方和右前方安裝該裝置，則小車的運動可以通過單片機來控制。

小車的具體壁障設計如下：

1.當檢測到正前方有障礙物時，兩避障器同時接收紅外線反饋，小車兩驅動輪同時后退并轉向，然后前進。

2.當檢測到左前方有障礙物時，左側避障器接收反饋，右側避障小車右輪停止，左輪前進，實施右轉壁障。

3.當檢測到右前方有障礙物時，右側避障接收反饋，左側避障器正常工作，小車左輪停止，右輪前進，實施左轉壁障。

四、自動壁障裝置優點

本裝置利用光在反射過程中光子能量和傳播距離的關系，利用二極管發射并接收紅外線，利用光敏電阻轉化成電信號，根據接收到的紅外線的能量強度，測量出裝置距離障礙物的距離，使小車轉向，實施具體壁障。具有以下優點：

1.本裝置設計小巧輕便，便于安裝。

2.利用二極管接收反射光能量，并用光敏電阻將光信號轉化為電信號，數據準確。

3.利用單片機做信號處理，更加精準。