簡 介： 為了能夠使得下一屆的智能車競賽中的節(jié)能信標(biāo)組擺脫磁鐵的干擾，可以進(jìn)行對抗比賽。在現(xiàn)有的節(jié)能信標(biāo)燈的基礎(chǔ)上，增加光電反射檢測單元。該電路采用了反射式光電檢測管，利用單片機(jī)的定時(shí)ADC轉(zhuǎn)換，可以在降低環(huán)境光線影響的基礎(chǔ)上，提高檢測的可靠性。
關(guān)鍵詞： 光電管，ITR8307，ESP8266，智能車競賽，節(jié)能型表

01 測試背景

一、為什么需要反射式光電檢測？

1、節(jié)能信標(biāo)組

??在 第十六屆智能車競賽競速比賽^[1] 中有一組節(jié)能信標(biāo)組。車模有參賽隊(duì)伍自行設(shè)計(jì)制作，其中需要車模本身帶有強(qiáng)磁鐵來觸發(fā)信標(biāo)的切換。

??如果兩個(gè)信標(biāo)燈進(jìn)行對抗比賽的話，他們就極易由于磁鐵的吸引而相互纏繞在一起。比如下面是中國計(jì)量大學(xué)賽博隊(duì)之間的相互對抗比賽，可以看到最終他們的車模由于磁鐵吸引在 一起了。

??因此需要改變現(xiàn)在的信標(biāo)燈使其能夠通過其它的方式來檢測是否車模停留在其上，或者經(jīng)過信標(biāo)燈。因此，一種方案就是使用反射式光電檢測電路來測試是否有車模路經(jīng)過信標(biāo)燈的正上方。

2、反射式光電檢測

??為了能夠與原來霍爾器件相兼容，制作的反射式光電檢測電路可以獨(dú)自安裝在白色燈盤下面。它的體積很小，位于燈罩的正中央。當(dāng)車模途徑燈罩時(shí)，可以反射光電管發(fā)射的紅外光，從而觸發(fā)檢測電路。

??在前面博文 反射式紅外光電管 ITR8307^[2] 對于小型反射式紅外光電管ITR8307的特性進(jìn)行了測量，通常情況下，這款微型光電管檢測反射物體距離只有幾毫米。這個(gè)距離不能夠滿足節(jié)能信標(biāo)組內(nèi)檢測車模經(jīng)過的需求。

??在信標(biāo)燈檢測中，對于光電檢測性能要求：

• 可靠的檢測距離應(yīng)該大于5厘米；
• 能夠?qū)τ诃h(huán)境光線不敏感；

??在反射式紅外光電管 ITR8307^[3]中，可以看到，可以通

??過一下幾種方式來增加ITR8307的檢測距離：

• 增加ITR8307發(fā)光二極管電流；
• 增加ITR8307光敏三極管負(fù)載電阻的阻值；

??為了達(dá)到不受環(huán)境光線的影響，則需要對于ITR8307的發(fā)送與檢測通過信號調(diào)制發(fā)送與解調(diào)接收。

二、利用ADC進(jìn)行信號檢測

1、基本原理

??利用單片機(jī)的IO口控制ITR8307的發(fā)光二極管的導(dǎo)通與截止，然后利用單片機(jī)的ADC來檢測ITR8307光電三極管集電極輸出電壓的變化。由于這個(gè)變化是與發(fā)送二極管的導(dǎo)通截止是同步的，而且可以做到高速切換，所以這可以與環(huán)境光線的緩慢變化相區(qū)分。

??如果單片機(jī)IO口輸出的調(diào)制頻率做到50Hz的整數(shù)倍數(shù)，同樣這也可以將照片燈光中50Hz及其諧波分量進(jìn)行濾除。

2、利用ESP8266做實(shí)驗(yàn)

??為了驗(yàn)證上面方式的可行性以及檢測效果，使用 ESP-12F模塊轉(zhuǎn)接板模塊^[3] 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在 測試三相無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 XXD2212 電調(diào)^[4] 中對于ESP8266的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)行了測量，它需要240。

??根據(jù) ESP8266 MicroPython ADC^[5] 文檔可以知道，它的電壓轉(zhuǎn)換范圍是0 ~ 1.0V，ADC數(shù)值為 10bit。

??下圖給出了利用DH1766可編程直流電源輸出直流電壓到ESP8266的 ADC，它的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入電壓之間的關(guān)系。

02 測試實(shí)驗(yàn)

一、測試電路

??下圖給出了測試電路。其中T1用于驅(qū)動(dòng)ITR8307的發(fā)光二極管；U2是將ITR8307的集電極的電壓進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，然后又R4，R5分壓后送入ESP8266的ADC。

二、測量結(jié)果

1、初步測試

??使用PIn5產(chǎn)生100Hz的 50% 占空比的PWM波形，驅(qū)動(dòng)T1（9018）。將 ITR8307 至于反射白紙上面 5 厘米。測試 ITR8307的光電管集電極的電壓波形。

??下面是測量ITR8307的光電管輸出電壓波形。

2、測試交替ADC數(shù)值

??采集相繼調(diào)制后的ADC數(shù)值。

(1) 上面沒有任何遮擋物

??下面顯示了光電管上面沒有任何遮擋物讀出的數(shù)值。

(2) 手從光電管上方經(jīng)過

??下圖顯示了手從光電管上方5厘米經(jīng)過引起讀數(shù)的波動(dòng)。

??從上面對比實(shí)驗(yàn)來看，這種方式光電管可以很靈敏檢測到經(jīng)過物體。

三、環(huán)境光濾波

1、環(huán)境光線干擾

??下圖顯示了，室內(nèi)電燈引起光電管的輸出電壓波?？梢钥吹剿?00Hz的波動(dòng)。根據(jù) 電燈泡內(nèi)通有交流電，為什么看不到燈泡在閃爍？^[6] 可以知道這是由于室內(nèi)電燈的閃爍引起光電管的輸出信號。

2、控制采樣時(shí)間間隔

??如果前后兩次讀取的ADC值時(shí)間恰好是10ms的整數(shù)倍數(shù)，這種波動(dòng)反映在兩次ADC數(shù)值上變化很小。在前面的實(shí)驗(yàn)中，前后兩次讀取數(shù)值時(shí)間間隔為20ms，所以電壓波動(dòng)比較小。

??如果將前后兩次ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間改為5ms，此時(shí)對應(yīng)的數(shù)值波動(dòng)就會大大增加了。下圖顯示了這種情況下采集到的數(shù)值波動(dòng)。

3、在中斷中采樣

??在前面實(shí)驗(yàn)中是在程序循環(huán)中進(jìn)行ADC采樣。由于ADC采樣也會產(chǎn)生一定的時(shí)間，所以循環(huán)對應(yīng)的時(shí)間間隔不一定是10ms準(zhǔn)確的倍數(shù)。

??通過在定時(shí)中斷中進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，可以進(jìn)一步提高兩次采樣時(shí)間的精度。通過對比可以看到，在定時(shí)器中斷中采樣ADC的確降低了環(huán)境光線對于ADC數(shù)值波動(dòng)的影響。

四、增加靈敏度

??為了使得車模經(jīng)過信標(biāo)燈罩更容易被檢測到，可以在車模底盤粘貼白色，或者紅色的紙張，這樣可以進(jìn)一步增加反射信號的強(qiáng)度，從而使得光電檢測更加靈敏。

03 測試結(jié)論

??通過ESP8266的ADC讀取反射式光電管的輸出電壓，可以比較方便進(jìn)行光電信號的同步解調(diào)。只要相鄰兩次的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間為10ms的整數(shù)倍數(shù)，就可以抑制由于環(huán)境光線對于光電管輸出信號的影響。

??下面，就需要使用普通的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)上述檢測方案。制作成功能小板，可以在現(xiàn)有的節(jié)能燈電路上直接進(jìn)行焊接，替代原來的霍爾傳感器。

一、現(xiàn)在方案存在的問題

??最后需要說明一下，實(shí)際上本文的方案在考慮的時(shí)候是沒有考察發(fā)光盤本身發(fā)送的紅光以及紅外線的影響。相關(guān)這部分的問題以及如何應(yīng)用需要進(jìn)行進(jìn)一步的測試與研究。

參考資料

[1]第十六屆智能車競賽競速比賽: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008

[2]反射式紅外光電管 ITR8307: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/120116131

[3]ESP-12F模塊轉(zhuǎn)接板模塊: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115419385

[4]測試三相無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 XXD2212 電調(diào): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/120143733

[5]ESP8266 MicroPython ADC: https://docs.micropython.org/en/latest/esp8266/quickref.html#adc-analog-to-digital-conversion

[6]電燈泡內(nèi)通有交流電，為什么看不到燈泡在閃爍？: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108519603