基于PSD的红外自动感应抗色差系统的设计与实现
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③ 把① 、②等式代入③式中，可变换为：
④ 由④式可知，红外光的反射只与光斑在 PSD 距离中心线的位置 X 有关，而与入射光 强度无关，
在该系统中，PSD 为入射光斑位置的敏 感器件。④式则为 PSD 反映光斑位置的输出 信号表达式。红外发射器发射红外光信号，当 遇到物体时反射红外光信号，通过透镜在 PSD 上形成光斑，见图 1 所示。PSD 检测到光斑后， 通过硬件电路把光斑在 PSD 二边形成的光电 流信号放大并转换成二路电压信号，输入到单 片机的内置 A/D 采样模块，由 A/D 模块把二 路模拟信号转换成单片机可处理的数字信号； 根据④式，单片机把采样得到的二路电压信号 进行加减法和除法处理后，计算出光斑在 PSD 上的偏移位置 X 的值。
软件的流程图，见图 6。 上电初始化系统后，启动发射红外光信 号，进行物体的检测，开启 A/D 转换子程序， 对接收到的 A/D 信号采样，对采样得到的二 路电压信号进行加法、减法、除法的运算；再 通过相似三角形关系公式，计算出实际距离 Dm；进行物体距离检测比较，并识别实际距 离是否符合触发控制处理的距离条件要求，符 合条件则执行控制处理子程序，结束后，进入 下一次循环查询。
在图 1 中，通过相似直角三角形的对应 边之比相等的比例关系，列出函数公式：⑤ f/ X=Dm/(L/2) ；因中心距 L 为红外发射管与接 收器件之间的距离，L 为系统的已知值，并且 L 值都非常小，只有几个厘米的距离，远小于
Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程 • 237
现在红外自动感应系统是根据红外光反 射强度的原理：红外发射管主动发射红外光信 号照射到物体表面，物体表面反射红外光信号， 红外接收器检测物体表面反射的红外光信号强 度，对感应物体进行距离识别；感应物体距离 越近反射越强，而在相同的距离，物体颜色越 深反射越弱；原因是不同材料、不同颜色的物 体反射红外光的差异非常大；红外光对不同颜 色表面反射的差异性，造成了红外自动感应系 统因物体颜色的不同，可识别的距离偏差非常 大，甚至可达到几十个厘米；红外自动感应系 统存在对感应物体的颜色非常敏感，系统稳定 性差、感应距离精度低等不足。
通过测试，使用不同颜色物体，对原红 外自动感应系统与应用了 PSD 的红外自动感 应抗色差系统分别进行了测试对比，二种系统 按测试要求，均以标准白板为感应物体，设定 感应距离为 50CM，二种系统不同电压值下测 试比较，验证系统的可靠性和稳定性；得到数 据比较，如图 7。
• 单片机技术 SCM Technology
图4
图6
采样得到二路电压信号值 V1 和 V2，单片机 对二路数字信号进行加、减和除法运算后，根 据④式计算求出光斑在 PSD 上的偏移位置 X 值，通过相似三角形公式的等比例关系⑤式： f/X=Dm/(L/2+X) 求得物体与感应系统之间距 离值 Dm，通过设定最大距离 Dmax，检测到 物体距离小于 Dmax 时，则开启执处器件，距 离大于 Dmax 时，则关闭执处器件，从而实现 了红外自动感应抗色差系统的执行控制。 图5 2.4 软件流程图
• SCM Technology 单片机技术
基于 PSD 的红外自动感应抗色差系统的设计与实现
文/胡成平
摘
本文通过硬件电路把光电流
信号转换成单片机处理的电压信 要 号，再经单片机内置的 A/D 模块
转 换 成 相 应 的 数 字 信 号； 单 片 机
根据数字信号值计算出光信号照
射在 PSD 上的位置，并应用相似
3 系统的测试与验证
图7
距离 Dm 的值，而光斑位置 X 的值已由④式 计算出来，因此可由⑤ 求得物体与系统之间 距离 Dm 的值，Dm 值只与 PSD 中心偏离值 X 有关，与红外发射光的强度无关，也即与物体 表面颜色或材料表面粗糙度无关反射红外光的 强度弱无关联，由此实现了红外自动感应系统 的抗色差要求，并且提高了红外自动感系统的 精度和稳定性。
其中 X 为光斑到 PSD 中心的距离，M 为 PSD 的长度，M1 和 M2 分别为 PSD 中心距到 二边的长度，见图 2。
且 M1+M2=M ① ；PSD 二 端 分 别 接 信
图2
图3
号输出电极，光斑透射到 PSD 上产生光电流 I0，而光斑到 PSD 左右二边的距离，可用看 成是 R1 和 R2 二个等效电阻，见图 3。
2 基于PSD的红外自动感应抗色差系统
该系统是利用物体表面反射的红外光信 号照射在一维 PSD 表面，产生横向光电效应； 通过等效电阻上产生的不同光电流及红外光反 射路径的三角形比例函数关系，计算出感应物 体的距离。
2.1 应用PSD的红外自动感应抗色差原理
红外光线由发射管发出，照射在物体表 面，经物体表面反射后，经过前端焦距为 f 的 透镜后，形成光斑透射到一维 PSD 上；见图 1。
2.2 系统组成
红外自动感应抗色差系统主要由以下几 个部份组成：红外光信号发射装置、透镜装置、
PSD 感应器、信号转换和放大电路、单片机、 执行处理器件等组成。组成框图如图 4。
2.3 硬件电路
红外自动感应抗色差系统硬件原理图如 图 5。
红外发射管 D1 发射红外光信号，遇到物 体时红外光信号被反射，通过透镜形成光斑照 射 到 PSD 上 形 成 光 电 流， 经 U1、U2、U3、 U4 对 PSD 输出的光电流进行电流 - 电压转换 和放大后，输入到单片机内置 A/D 采样模块，
光斑在 R1 和 R2 二个等效电阻上形成的 光电流分别为：I1 和 I2，并且② I1 + I2 = I0； I1 和 I2 的 大 小 由 入 射 透 镜 的 角 度 及 光 斑 在 PSD 上的位置 X 决定，根据图 3 的等效电路图， 两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到 PSD 二边距离之比的倒数，由此列出如下等式：
三角形比例函数计算出感应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体
具 体 的 位 置。 经 测 试 验 证， 系 统
对不同颜色物体在相同位置感应
的距离偏差极小于 ±1CM，实现了
红 外 感 应 系 统 抗 色 差 性 能， 提 高
了系统精度和稳定性。
图1 【关键词】单片机 红外自动感应系统 PSD 抗
色差技术
1 目前红外自动感应系统存在的不足
④ 由④式可知，红外光的反射只与光斑在 PSD 距离中心线的位置 X 有关，而与入射光 强度无关，
在该系统中，PSD 为入射光斑位置的敏 感器件。④式则为 PSD 反映光斑位置的输出 信号表达式。红外发射器发射红外光信号，当 遇到物体时反射红外光信号，通过透镜在 PSD 上形成光斑，见图 1 所示。PSD 检测到光斑后， 通过硬件电路把光斑在 PSD 二边形成的光电 流信号放大并转换成二路电压信号，输入到单 片机的内置 A/D 采样模块，由 A/D 模块把二 路模拟信号转换成单片机可处理的数字信号； 根据④式，单片机把采样得到的二路电压信号 进行加减法和除法处理后，计算出光斑在 PSD 上的偏移位置 X 的值。
软件的流程图，见图 6。 上电初始化系统后，启动发射红外光信 号，进行物体的检测，开启 A/D 转换子程序， 对接收到的 A/D 信号采样，对采样得到的二 路电压信号进行加法、减法、除法的运算；再 通过相似三角形关系公式，计算出实际距离 Dm；进行物体距离检测比较，并识别实际距 离是否符合触发控制处理的距离条件要求，符 合条件则执行控制处理子程序，结束后，进入 下一次循环查询。
在图 1 中，通过相似直角三角形的对应 边之比相等的比例关系，列出函数公式：⑤ f/ X=Dm/(L/2) ；因中心距 L 为红外发射管与接 收器件之间的距离，L 为系统的已知值，并且 L 值都非常小，只有几个厘米的距离，远小于
Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程 • 237
现在红外自动感应系统是根据红外光反 射强度的原理：红外发射管主动发射红外光信 号照射到物体表面，物体表面反射红外光信号， 红外接收器检测物体表面反射的红外光信号强 度，对感应物体进行距离识别；感应物体距离 越近反射越强，而在相同的距离，物体颜色越 深反射越弱；原因是不同材料、不同颜色的物 体反射红外光的差异非常大；红外光对不同颜 色表面反射的差异性，造成了红外自动感应系 统因物体颜色的不同，可识别的距离偏差非常 大，甚至可达到几十个厘米；红外自动感应系 统存在对感应物体的颜色非常敏感，系统稳定 性差、感应距离精度低等不足。
通过测试，使用不同颜色物体，对原红 外自动感应系统与应用了 PSD 的红外自动感 应抗色差系统分别进行了测试对比，二种系统 按测试要求，均以标准白板为感应物体，设定 感应距离为 50CM，二种系统不同电压值下测 试比较，验证系统的可靠性和稳定性；得到数 据比较，如图 7。
• 单片机技术 SCM Technology
图4
图6
采样得到二路电压信号值 V1 和 V2，单片机 对二路数字信号进行加、减和除法运算后，根 据④式计算求出光斑在 PSD 上的偏移位置 X 值，通过相似三角形公式的等比例关系⑤式： f/X=Dm/(L/2+X) 求得物体与感应系统之间距 离值 Dm，通过设定最大距离 Dmax，检测到 物体距离小于 Dmax 时，则开启执处器件，距 离大于 Dmax 时，则关闭执处器件，从而实现 了红外自动感应抗色差系统的执行控制。 图5 2.4 软件流程图
• SCM Technology 单片机技术
基于 PSD 的红外自动感应抗色差系统的设计与实现
文/胡成平
摘
本文通过硬件电路把光电流
信号转换成单片机处理的电压信 要 号，再经单片机内置的 A/D 模块
转 换 成 相 应 的 数 字 信 号； 单 片 机
根据数字信号值计算出光信号照
射在 PSD 上的位置，并应用相似
3 系统的测试与验证
图7
距离 Dm 的值，而光斑位置 X 的值已由④式 计算出来，因此可由⑤ 求得物体与系统之间 距离 Dm 的值，Dm 值只与 PSD 中心偏离值 X 有关，与红外发射光的强度无关，也即与物体 表面颜色或材料表面粗糙度无关反射红外光的 强度弱无关联，由此实现了红外自动感应系统 的抗色差要求，并且提高了红外自动感系统的 精度和稳定性。
其中 X 为光斑到 PSD 中心的距离，M 为 PSD 的长度，M1 和 M2 分别为 PSD 中心距到 二边的长度，见图 2。
且 M1+M2=M ① ；PSD 二 端 分 别 接 信
图2
图3
号输出电极，光斑透射到 PSD 上产生光电流 I0，而光斑到 PSD 左右二边的距离，可用看 成是 R1 和 R2 二个等效电阻，见图 3。
2 基于PSD的红外自动感应抗色差系统
该系统是利用物体表面反射的红外光信 号照射在一维 PSD 表面，产生横向光电效应； 通过等效电阻上产生的不同光电流及红外光反 射路径的三角形比例函数关系，计算出感应物 体的距离。
2.1 应用PSD的红外自动感应抗色差原理
红外光线由发射管发出，照射在物体表 面，经物体表面反射后，经过前端焦距为 f 的 透镜后，形成光斑透射到一维 PSD 上；见图 1。
2.2 系统组成
红外自动感应抗色差系统主要由以下几 个部份组成：红外光信号发射装置、透镜装置、
PSD 感应器、信号转换和放大电路、单片机、 执行处理器件等组成。组成框图如图 4。
2.3 硬件电路
红外自动感应抗色差系统硬件原理图如 图 5。
红外发射管 D1 发射红外光信号，遇到物 体时红外光信号被反射，通过透镜形成光斑照 射 到 PSD 上 形 成 光 电 流， 经 U1、U2、U3、 U4 对 PSD 输出的光电流进行电流 - 电压转换 和放大后，输入到单片机内置 A/D 采样模块，
光斑在 R1 和 R2 二个等效电阻上形成的 光电流分别为：I1 和 I2，并且② I1 + I2 = I0； I1 和 I2 的 大 小 由 入 射 透 镜 的 角 度 及 光 斑 在 PSD 上的位置 X 决定，根据图 3 的等效电路图， 两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到 PSD 二边距离之比的倒数，由此列出如下等式：
三角形比例函数计算出感应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体
具 体 的 位 置。 经 测 试 验 证， 系 统
对不同颜色物体在相同位置感应
的距离偏差极小于 ±1CM，实现了
红 外 感 应 系 统 抗 色 差 性 能， 提 高
了系统精度和稳定性。
图1 【关键词】单片机 红外自动感应系统 PSD 抗
色差技术
1 目前红外自动感应系统存在的不足