本文主要总结和分析了红外的一些基本原理和应用。

##目录:
一、器件概述

  1.1、红外发射管

  1.2、接收头

  1.3、接收管

二、应用

三、光传感器

  3.1、光检测器

  3.2、激光对管

  3.3、红外对管

  3.4、黑盒子红外

  3.5、反射式红外传感器

四、知识补充

##一、器件概述

###1.1、红外发射管

 属于二极管类,实验室用的是5mm的小功率发射管,正向电压1.1-1.5v左右,电流20mA左右。红外线发射管的发射强度因发射方向而异。当方向角度为零度时,其放射强度定义为100%,当方向角度越大时,其放射强度相对的减少,红外线发射管的辐射强度,依光轴上的距离而变,亦随受光元件的不同而变。一般红外发射管的发射角至少在15度至30度,在外面用热缩管包着可以适当减小发散角。其控制的距离与发射功率成正比。为了增加红外线的控制距离,红外发射管工作于脉冲状态,因为脉动光(调制光)的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比,只需尽量提高峰值Ip,就能增加红外光的发射距离。提高Ip 的方法,是减小脉冲占空比,即压缩脉冲的宽度T。一般其使用频在300KHz以下。

 红外接收分为接收头和接受管2种,一个是3引脚,一个是LED型2引脚,注意,接收头和接收管是2种不同的器件。

###1.2、接收头


 红外接收头是集接收,放大,解调于一体的器件,它内部IC就已经完成了解调,输出的就是数字信号,但要注意,一般接收头载波频率是38KHZ,当然也有56KHZ的等等,不同型号、厂家的会有一点不一样。之所以要加载波频率,是为了减小光干扰,防止其他强光源照射干扰而导致误触发,所以38KHZ是它们之间的一个通信协议。接收头接受的是调制信号,输出是解调好的信号。一开始我不知道使用时需要用到载波频率,而且当时也没有查到接收头的DATASHEET,当时就直接用红外发射管照射接收管,接收管没有任何的电平变化,反复试了几次,浪费了很多时间,所以说搞清楚器件使用方式是很重要的。  我们实验室用的是标准38KHZ的,型号为IRM2638,峰值波长940nm,所以相应的红外发射管就应该选择波长为940nm、5mm大小的。实际测试输出:无检测到时,输出5V高电平,有检测到时,输出的是一定占空比的方波(这是自己设定的)。  载波原理:



 内部原理图:里面自带放大电路,还有一个振荡器,三极管上拉输出(这个很重要,有的是开集输出,输出高电平时要接上拉电阻)。


 典型电路:


 这种器件的datasheet是后来无意间找到的,搜索关键词是INFRARED RECEIVER MODULE。以及提供一个很全的datasheet 搜索网站:http://www.alldatasheetcn.com/  一些相关红外接收模块的DATASHEET:


 上面几种型号大同小异,对比后发现主要是载波频率不同。

###1.3、接收管

 红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件,它的核心部件是一个特殊材料的PN结,和普通二极管相比,在结构上采取了大的改变,红外线接收管为了更多更大面积的接收入,电流则随之增大,红外接收管分两种,一种是二极管,一种是三极管。输出的是模拟信号。如果我们想得到随检测距离改变的电压值,或者因返回光强不同的电压值,就可以考虑用接收管,输出随着接收信号增强而电流增大,其负载电阻的电压就随之增大。不过,它的输出在边缘处有点非线性。  下图是红外测距原理图,因为用红外来测距不怎么好,就不再考虑这个了。



##二、应用

 1、这是上届的版本,单片机STM8S003输出固定频率波形给发射管,发射管两端一个输入一定频率的电压,一个加38KHZ载波。使用滑动变阻器调节电流大小从而改变检测距离,但在使用时发现隔一段时间阻值变了,而且变阻器很难调节到需要的大小。


 2、这是改进的第一代,为了解决变阻器的问题,把硬件调节改为软件调节,用按键通过程序来改变单片机输出占空比,输出会更稳定些。指示灯的亮度可以反映发射管的亮度(因为红外不可见)。


 3、第二代,加了三极管驱动和防反接,三极管的开启频率是大于100HZ的,所以没问题,按键改变的是100HZ信号的占空比,其单片机程序原理和上一代也做了改变。PCB画成长条形,用最大的那种热缩管包着PCB板隔离外界。



##三、光传感器

###3.1、光检测器

 原理和红外接收器基本一样,区别在于没有信号调制,检测的条件是照射光强的大小,任何的光,只要有一定的光照强度,达到其阈值,就可以检测到,透明塑料外壳,3脚。不同型号的区别在于它的光照裕度。  现在用的是IS486/485(IS48X系列都可)——¥5,内带施密特触发电路,整形波形。使用时直接接地和电源。PIC0103SD(PIC-X部分)——¥6,内带施密特触发电路;三极管开集输出,使用时要接上拉电阻。


 这些系列的种类很多,对比了它们的datasheet,发现那些系列中各自器件的区别是光照裕度不同(如IS481和IS486),或者只是逻辑相反(如IS486和IS485),我们只用作检测有无,故在选型的时候倒是不需要考虑太多。

###3.2、激光对管

 详见郝润姿的博文http://www.rcstech.org/Photoelectric-detection-sensor/

 一种改进的精度更高的定位传感器,使用激光发射,光电检测器IS486接收。现已代替红外对管,用了都说好。另外可以考虑在裸露的板子外面加上外壳,使安装更方便。

###3.3、红外对管

 其内部结构十分简单,发射部分是电阻串联一个发射管,接受端也是光电二极管串联电阻。最值钱的就是外壳了,机械固定很方便。


 激光对管VS红外对管

对管 精确度 安装 价格 实用性
激光对管 激光发射,直线度高,外包热缩管限制通孔范围,基本发散角为0 器件更小 大于5+2 稳定,精准
红外对管 发散角小于10度,但是对于要求较高的工字台和转盘定位,误差太大。 安装 大于4.3 略差,经常会检测不到

###3.4、黑盒子红外

 神秘的黑盒子红外内部结构图:


 可惜关键器件目前还没能找到是什么型号,其内部或许集成了斯密特震荡器,不需要光控即可震荡,其固有频率在200KHZ左右,实测有194KHZ。特点是输出端接5V时(像上面那样接),可以在地端输出波形,所以就不需要单片机输出,节约了成本。对比测试了PIC0103SD,这两种器件的输出级应该是不同的方式。


###3.5、反射式红外传感器

 原理图见应用  针对这个原理我测试了它的检测距离等参数(详见有道里上传的数据)


 由图可知,在中间的时候发射距离最远,所以把程序的占空比调整一下即可,没有必要从1%-100%了,大约55%时就是峰值了。

##四、知识补充

 为防止电磁干扰:


参考:http://wiki.dzsc.com/info/61.html#top

 总结:  光电传感器由三部分构成,它们分为:发送器,接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)和激光二极管。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面,可装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。