基于单片机的红外编码探测障碍物设计

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。
 

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，红外接收头为宁波甬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38.0 kHz。
 

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4 MHz，载波脉冲采用26μs，其中高电位是10 μs，低电位是16μs，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16μs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1 000个NB0038的接收头中，随意选择30个作实验。在约20 cm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。
 

因此，选择调制信号脉冲为24个载波脉冲宽度为：

发射信号的格式如图4所示。
 

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10 μs。然后，重新使P51=0，停止发射红外信号，保持时间是16μs。[page]

(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16μs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。
 

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。
 

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：

① 发送较短的编码串(10～16位)，判断时间约6～10 ms。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。

② 发送大于16位的编码串(16～32位)，判断时间约10～20 ms。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。

③ 发送大于32位编码串，判断时间>20 ms。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。
 

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。