基于红外线的光电效应自动避障装置

吴承威 王哲峰 吴哲 董齐 张馨丹

【摘 要】光子在传播过程中，随着传播距离的增加，能量损耗也会增大。设置光线发射器，利用光敏元件，对反射回来的光线能量进行测量，根据其能量大小，换算出光源距离障碍物的距离，结合制动装置的控制，即可实现自动避障。

【关键词】自动避障；反射光子能量

一、自动避障装置物理原理

光电效应：光是由一份一份不连续的光子组成，当某一光子照射到对光灵敏的物质（如硒）上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加；如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。

只要光的频率超過某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，电流也随之增大。

本装置利用光电效应的这一性质，运用半导体自制光敏原件，它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜， 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。

在黑暗的环境下，它的阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当其两端加上电压后，流过元件的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。本项目利用光电效应的内光电效应，设置光子发射装置和光子接收装置。

考虑到红外线具有环境适应性好，发射系统体积小，不易被电磁波干扰等优点，信号采用红外线二极管进行发射。红外发射二极管分为很多种。本次设计所使用的是峰值波长为940nm的红外发射二极管。940nm红外发射二极管优点：光强度高，响应速度快，可用脉冲驱动，无色透明环氧树脂。其主要应用领域：红外遥控系统，红外探测系统，红外幕墙保安系统。在使用红外发射二极管时，发射管的辐射强度（Power）与输入电流（If）成正比。辐射强度用以表示红外线发光二极管（IR）其辐射红外线能量之大小。发射距离与辐射强度（Power） 成正比。

可见光经由反射面反射后，能量强度会发生变化，主要源于光子在反射面上的能量损耗和光子在传播路径上的能量损耗。光子在接触面的能量损耗各个情况下基本相同，但是在传播过程中，光路的传播路径越长，能量消耗越大。利用这一原理，我们可以在物体上放置光源发射装置和接收装置，接收装置由光敏元件制成，根据其光子强度越高，电阻越大的特点，可以将光信号转变为电信号，从而通过对电流的检测直接获得和障碍物之间的距离。

二、自动壁障装置方案设计

本装置可以分为两个部分：信号发射和接收部分，信号处理部分。

信号发射和接收部分：本装置主要承担信号发射工作，考虑到红外线具有环境适应性好，发射系统体积小，不易被电磁波干扰等优点，信号采用红外线二极管进行发射。红外发射二极管分为很多种。本次设计所使用的是峰值波长为940nm的红外发射二极管。在使用红外发射二极管时，发射管的辐射强度（Power）与输入电流（If）成正比。辐射强度用以表示红外线发光二极管（IR）其辐射红外线能量之大小。发射距离与辐射强度（Power）成正比。我们采用稳压二极管对返程红外线进行接收。利用光敏元件的光电导效应，将光信号转变为电信号。（光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。）

信号处理部分：在此装置具体实验时，以自制小车为例，在小车车头左右两侧部位分别安装一个红外线的发射和接收装置。本部分结合STC89C52单片机，通过分析从光敏电阻传来的电信号，来实现具体调控避障。在实际应用时，可以将其连接在小车或其他装置的电机上来达到通过光信号对电机的具体调控。在其单侧检测到前方有障碍物时，小车进行转向躲避障碍物，（下转第819页）

（上接第817页）若两侧均检测到障碍物时，小车倒车转向，实现光电壁障。

三、自动壁障装置实际应用

将本装置应用于自制电机四轮小车上时，在小车的左前方和右前方安装该装置，则小车的运动可以通过单片机来控制。

小车的具体壁障设计如下：

1.当检测到正前方有障碍物时，两避障器同时接收红外线反馈，小车两驱动轮同时后退并转向，然后前进。

2.当检测到左前方有障碍物时，左侧避障器接收反馈，右侧避障小车右轮停止，左轮前进，实施右转壁障。

3.当检测到右前方有障碍物时，右侧避障接收反馈，左侧避障器正常工作，小车左轮停止，右轮前进，实施左转壁障。

四、自动壁障装置优点

本装置利用光在反射过程中光子能量和传播距离的关系，利用二极管发射并接收红外线，利用光敏电阻转化成电信号，根据接收到的红外线的能量强度，测量出装置距离障碍物的距离，使小车转向，实施具体壁障。具有以下优点：

1.本装置设计小巧轻便，便于安装。

2.利用二极管接收反射光能量，并用光敏电阻将光信号转化为电信号，数据准确。

3.利用单片机做信号处理，更加精准。

4.可用于多种需要壁障的电控装置。

5.制作简单，壁障效果灵敏。

【参考文献】

[1] 苏长赞. 红外线与超声波遥控. 北京：人民邮电出版社，1993.12.01

[2]肖景和，赵健.红外线、热释电与超声波遥控电路. 北京：人民邮电出版社，2003