红外线避障传感器电路设计

3.4 传感器电路设计

清洁机器人上安装有多种传感器：各种红外传感器、碰撞传感器和霍尔速度传感器。这些传感器协调工作，保证了机器人对外界环境和自身运动状态的判断。

3.4.1 传感器布局

传感器网络共有4 个周边红外传感器、3 个底盘红外传感器、2 个调频

红外传感器、2 个碰撞传感器、2 个霍尔转速传感器以及1个电机过流传感器、1 个充电电源检测传感器、1 个电池充满传感器和一个A D。其布局如图

3-7 所示。

图3-7 传感器布局

3.4.2红外线避障传感器电路设计

避障传感器的基本原理是利用物体的反射性质。因为在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。而如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到传感器的接收头。传感器检测到这一信号就可以确认正前方有障碍物，并传送给单片机，单片机通过输入内部的算法，协调小车两轮工作，从而完成躲避障碍物的动作。

通过比较，本系统中选用E18--D80NK-N红外避障传感器。E18-D80NK-N是E18-D80NK的升级版。改动部分主要是内部电路板和外部连线。传感器外部接线，在末端增加了杜邦头，方便用户使用。 E18-D80NK-N这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80厘米距离的问题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同白色物体最远，黑色物体最近）。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。E18--D80NK-N的工作电压为5V，工作电流为10--15mA，驱动电流为100mA,探测距离为3--80cm。E18--D80NK-N也是一个数字传感，其为NPN型光电开关，输出状态是0和1，即数字电路中的低电平和高电平；检测到目标是高电平输出，正常状态是低电平输出。此时可以通过旋转传感器后面的按钮，改变传感器可以测量的距离，比如可以通过调节旋钮，使它测5cm距离以内是否有障碍物，如果5cm以内有物体则返回一个高电平，同时传感器里面的绿色小灯被点亮。本系统需要可以测得距离是否有变化的传感器，所以该传感器可以胜任。本系统共用4个E18--D80NK-N红外避障传感器，通过调节旋钮，使它们可以测得设定距离以内的障碍物，这样当机器人处在障碍物设定距离内的地方时，传感器返回低电平，被单片机检测到并作相应的处理。

我们利用上述传感器设计如下图所示电路，其中D1发射红外线，D2接受红外线信号。LM231(此芯片待定)的第5、7引脚为频率的设定端，一般通过调整其外接可变电阻来改变频率。红外载波信号来自其第7脚，也就是说载波信号与频率一致时，能够极大的提高抗干扰特性。当接收到的红外载波信号和频率一致时，说明不是干扰，则第6脚输出低电平。

红外信号经反射后，由探头的光敏三极管接收反射光，经过RC滤波电路及LM741组成的并联负反馈放大电路对信号进行放大，输出频率的方波送到LM231中进行解调，然后经其内部的比较器转换为数字信号经由6号脚输出。

Q1 NPN

R1

10k

R2

10k

C1

1nF

D21

DIODE-LED

VR1

S10K300

D1

DIODE-LED

R3

10k

6

3

2

4

7

18

U1

LM6364

C2

1nF

R4

10k

R5

10k

C3

1nF

CMIN

7

THR

6

R-C

5

IOUT

1

REFI

2

FOUT

3

GND

4

VCC

8

U2

LM231

R6

10k

C4

1nF

C5

1nF

C6

1nF

R7

10k

D2

DIODE-LED

1

2

3

J1

25630301RP2

图3-8 红外传感电路

本电路既简化了线路和调试工作，又防止了周围环境变化和元件参数变化对收发频率造成的差异，实现了红外线发射和接收工作频率的自动同步跟踪，使电路的稳定性和抗干扰能力大大加强。

3.4.3碰撞传感器

接触传感器通过与目标物体的接触来识别障碍物，选择OTH8084型微动开关作为接触传感器，如图所示，该型号开关结构小巧，使用便捷可靠，信号无需调理。

碰撞传感器检测单元的接口电路如图所示，图中OUT接控制器2的INTI端口（另一检测单元接P3.4口），L1的限流电阻，S9为接触传感器，其脚1接地，当碰触到障碍物时，探测簧片被压下，传感器的1脚和3脚导通，工作电路形成回路，OUT端输出低电平。OUT端输出的低电平能够直接被控制器识别。碰撞传感器主要是用于小车检测左右侧或前方障碍物所用。

图3-9

3.4.4红外台阶检测传感器

红外台阶检测使用集成的红外传感器，其外形如图所示。其引脚定义为 1 脚电源地，2 脚电源正，3 脚信号输出端。当传感器前方没有物体时，其输出高电平，有物体时输出为低电平。使用时不需要再外接元件，只需要给其提供+5V 的电源就可以工作，但有效检测距离较近，比较适用于机器人地盘用于台阶的检测。

图 3-10 集成红外传感器外形图

机器人地盘上共使用了三个集成的红外传感器，分别安装在两个驱动轮的前端和随动轮的前端，三个传感器的输出信号相或，这样只要其中任意一个传感器检测不到地面（遇到有台阶情况），输出即为高电平，单片机检测到这个高电平就立即停止前进，防止跌落。具体电路见图 3-11，或门使用两输入端四或门芯片7432。