红外传感器在速度测量中的应用

红外线技术在测速系统中已经得到了广泛应用，许多产品已运用红外线技术能够实现车辆测速、探测等研究。红外线应用速度测量领域时，最难克服的是受强太阳光等多种含有红外线的光源干扰。外界光源的干扰成为红外线应用于野外的瓶颈。针对此问题，这里提出一种红外线测速传感器设计方案，该设计方案能够为多点测量即时速度和阶段加速度提供技术支持，可应用于公路测速和生产线下料的速度称量等工业生产中需要测量速度的环节。

1 红外测速传感器概述
    红外线对射管的驱动分为电平型和脉冲型两种驱动方式，本系统中红外传感器选用脉冲型驱动方式。由红外线对射管阵列组成分离型光电传感器。该传感器的创新点在于能够抵抗外界的强光干扰。太阳光中含有对红外线接收管产生干扰的红外线，该光线能够将红外线接收二极管导通，使系统产生误判，甚至导致整个系统瘫痪。本传感器的优点在于能够设置多点采集，对射管阵列的间距和阵列数量可根据需求选取。

2 红外线测速传感器硬件设计
2．1 红外线发射管电路设计
    发射管选取SIR204-A型发射管，该红外线二极管驱动电流范嗣为20～100 mA，其正向导通压降为1．3～1．5 V，发出红外线光波长范围约为835～930 nm，发射角度为30°，直射时红外线光强度最大。发射管驱动电压采用脉冲电压，38 kHz载波频率，发送时长为280 μs，占空比为1／2的方波，发送间隔为720 μs。载波脉冲需要与红外线接收管的型号相匹配。红外发射管能够匹配光电晶体管、光敏二极管和红外接收器模块，红外传感器的接收部分选择了带有放大和滤波功能的红外线接收二极管。发射部分的设计需要考虑到接收部分的制约。经过验证调制脉冲驱动电流能够匹配红外线接收管，将红外线接收管导通。驱动发射管PWM的波形如图l所示。

    图2是红外线发射管的驱动电路图。脉冲信号由R29处输入，通过NPN型三极管，从而控制红外发射管VD3的通断情况，本电路中单个红外管驱动电流选择值约为20 mA。由于NPN型三极管驱动电流低于20 mA，需在电路中加入P-mos管增强驱动能力。R18和R29的电阻值需要匹配，若2个电阻匹配不佳，会造成驱动脉冲波形毛刺较多，使二极管导通能力减弱，导通时间延迟增大。R18尽量大，能够减少电路功耗，R18和R29都选用10 kΩ电阻。红外线发射管的驱动不稳定，会造成接收判断失效，驱动电路的配置要根据实验进行匹配。
2．2 红外线接收管电路设计
    红外线接收管内部电路如图3所示，红外线接收二极管内部电路将导通后微弱脉冲信号放大、滤波整形，输出单片机可以识别的方波脉冲信号。该类型红外线接收管导通波长范围约为850～1 050 nm，红外线发射管发射波长约为875 nm，能够满足红外线接收管导通要求。

    红外线接收管选用HS0038型的红外一体接收头，该器件集成度高，能够以小成本实现图3所示功能。红外线接收管需要接收38 kHz左右带宽的脉冲波形，接收发射管只能接收间歇发射的红外线，发射红外线过于密集，接收管无法导通，需要予以注意。红外线发射管发出38 kHz载波，将红外线接收管导通。该波形频率为1 kHz，周期内高电平时间720μs，低电平时间280μs。当有物体遮挡红外线对射管时，发射源被遮挡，红外线接收管无法导通，输出高电平。由此可以判断是否有物体从红外线对射管中间通过。红外线接收管导通时的输出波形如图4所示。

    当红外线接收管被正面遮挡时，周围障碍物体反射由红外线发射管发出的红外线。此时微弱的信号会随着红外线接收管内部自动增益控制调节到最大而产生方波波形，对红外线接收管造成干扰。干扰使采集到的信号复杂，需要采用滤波手段将杂波干扰滤除。经过分析和示波器观察，杂波的频率大于1 kHz。在红外线接收管输出端接入有源滤波电路，能够将高于1 kHz的杂波滤掉。由此输出的波形为红外线接收管导通和未导通两种状态下的信号，未掺杂干扰，较容易区分，可以根据特点编写算法，判断是否有物体从红外线对射管中间通过。

3 红外线测速传感器软件设计
    控制软件需要保证红外线对射管一对一工作，且对信号采集处理，对采集的信号编写算法程序，完成对物体是否遮挡红外线对射管的判定，即分辨红外线接收管是否被导通。通过单片机内部计数器计取脉冲个数，可以将物体遮挡某个红外线接收管的时间记录下来。程序流程如图5(a)所示，需要不断判定第一个红外线接收管的输出状态，当确定有物体遮挡时，将开始标志位置为1，单片机开始读取其他接收管状态，同时启动定时器，下一对红外线对射管的接收管被遮挡停止计时。红外线发射管按顺序依次发射红外线，处理单元依次读取红外线接收管状态，可以防止鸟或人无意遮挡引起的误判现象。判断有物体遮挡的程序思想为判断1 ms内，是否有物体遮挡，若没有物体遮挡，红外线接收管输出的脉冲波形保持不变；若有物体遮挡，红外线接收管输出高电平持续1 ms以上。红外线接收管输出状态是否为高电平，可以判断是否有物体遮挡。当按顺序扫描的前一对红外线对管被判定遮挡时，开始扫描下一对管子的脉冲个数，同时开启定时器。延时50 μs，判定接收管接收到的是否为脉冲，判定是否为脉冲则需要判定引脚是否为低电平，如果引脚为低电平，计数值清零。计数值并不是计数器的值，而是计算延时50μs的次数是否达到28。

    当判断相应的接收管被遮挡时，相应的红外线对管序号累加。程序流程如图5(b)所示。

4 整体结构
    红外线对射管构成一对红外传感器收发子单元。若干对红外传感器收发子单元构成完整的红外线测速传感器，其红外线对射管分离距离和红外传感器收发子单元间距可以调整。如图6所示，Ⅳ需要大于2，分离距离超过5 m。在两对红外线对射管之间测量物体经过的时间T，间距设置为L，可以得到后一对红外线对射管的即时速度V：
   

5 结束语
    红外线对射管方法，能够动态地反应物体运动经过红外对管时的即时速度和阶段加速度。红外线在速度测量中的应用，可以作为其他设备或者系统的技术支持，为后续的设备校准和分析提供数据准备。CD4051等模拟开关芯片可以作为增加测量点数量的编码、译码器，控制红外线接收管一对一工作，得到精确采样点的速度和阶段的加速度的信息。完整的速度测量系统结构，包括传感器、处理单元以及人机交互单元，适合于小型企业和研究所。红外线对射管工艺上，不需要严格的管子对射标准，红外线对射管间距加工略有偏差不影响测量精度和红外线对射管导通。