ИЗМЕРЕНИЕ РАССТОЯНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Ло Ван Хао
Томский политехнический университет, г. Томск
Научный руководитель: ,к. т.н., доцент
Научные исследования были первой областью, где нашли применение методы инфракрасной техники. Сначала появилась инфракрасная (ИК) спектроскопия. Уже с середины XIX века ИК спектроскопия начала использоваться при лабораторных исследованиях молекулярной структуры веществ и определении органических соединений по их ИК спектрам. Затем ИК приборы начали применяться в астрономии для измерения температуры небесных тел по их ИК излучению. Большую роль они сыграли в исследованиях Солнца. И только в начале XX века некоторые из методов ИК техники начали использоваться для решения проблем, связанных с промышленностью, медициной и военным делом.
Сегодня возможности применения методов и приборов ИК техники для научных исследований настолько многообразны, что даже простое перечисление их заняло бы не одну страницу. В этой статьи обратимся к применению ИК излучения в измерении расстояния.
Для измерения расстояния до объекта существуют распространенные оптические датчики, работающие на методе триангуляции. Это работающие на длине волны от л = 0,74 мкм до 2 мм, инфракрасные (на английском языке infra-red, сокращенно IR) датчики расстояния с выходным аналоговым напряжением, производимые фирмой Sharp. Для использования в лабораторном исследовании, например, датчик GP2D120, имеет источник инфракрасного света с линзой, который излучает узкий световой луч. Обладая свойством отражения, при излучении в направлении объекта инфракрасный свет отражается от объекта, и часть отраженного света возвращается назад через другую линзу на позиционно-чувствительный фотоэлемент. От местоположения падающего на позиционно-чувствительный фотоэлемент луча зависит его проводимость, которая преобразуется в напряжение и через аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера вычисляется расстояние.
Рисунок1 Отраженные лучи на различных расстояниях
На рисунке 1 изображены отраженные лучи инфракрасного света при различном расстоянии до объекта. В зависимости от расстояния источника света до объекта, угол отражения изменяется. Если объект находится в положении P1, то угол отражения луча к приемнику будет в. В положении P2 угол отражения будет б. При возрастании расстояния до объекта угол отражения уменьшается (б < в). Углам отражения б и в соответствуют на приемнике выходные сигналы U2 и U1. Выходной сигнал датчика уменьшается с увеличением расстояния и увеличивается при увеличении угла отражения (U2<U1).
Выходное напряжение модуля датчика GP2D120, в зависимости от измеряемого расстояния, достигает до 3 В. Датчик подключается к модулю «Датчики», его выходное напряжение через усилитель поступает на канал аналого-цифрового преобразователя AVR атмега16, который преобразует его в цифровой. Здесь микропроцессор выполняет следующую важную операцию. Работая под программой, микропроцессор обрабатывает сигнал на выходе АЦП, результат которого временно сохраняется и подается на устройство индикации Lcd 16x02.
Рис.2 Схема преобразования значения дистанции
Входное напряжение модуля датчика GP2D120 изменяется в зависимости от измеренного расстояния. Например, по (datasheet) стандарту производителя, если полученное напряжение равно 0.5 В, то это соответствует дистанции 26 См, а 1.0 В - соответствует 13 См. Зависимость между выходным напряжением и измеренным расстоянием не является линейной (рис. 3). Поэтому преобразование выходного напряжения датчика в цифровой код АЦП Атмега 16 с 10-битным значением аналого - дигитального преобразователя и опорным напряжением +5 V является сложным.
Однако зависимость между обратной величиной выходного напряжения на выходе АЦП в виде числа и значением расстояния почти линейная (рис. 4). Благодаря этому можно найти функцию, отображающую значение расстояния L через числовые данные на выходе АЦП (функция1).
L=3000/(ADC+20)+1 (См), (1)
где L - расстояние (дистанция); ADC - значение на выходе АЦП, определяемое по формуле :
ADC=Vin.
, (2)
где Vin - величина выходного напряжения датчика.
Рисунок.3 Зависимость расстояния от выходного напряжения датчика.
Рисунок.4 Зависимость расстояния от выходного сигнала АЦП датчика.
Программа с кодом, которая написана в codevision AVR для микроконтроллера AVR Атмега 16.
while (1)
{
ADC = read_adc(0);// читать значение АЦП delay_ms(10);// режим задержки
lcd_gotoxy(0,0);// определение положение на дисплее
lcd_puts("dlina=");// выводить слово "dlina=" на дисплей
lcd_putnum(3000/(ADC+20)+1,7,0); // высчитать и выводить значение дистанции на дисплей
lcd_puts("cm");// выводить слово "cm" на дисплей
}.
В результате получим таблицу 1 с определенными значениями расстояния в сантиметрах. И по сравнению с исходными данными модуля датчика погрешность полученного расстояния находится в пределах не более 1 См.
Таблицу 1: Измеренные расстояния
GP2D120 Vout | Данные АЦП | Дистанция | GP2D120 Vout | Данные АЦП | Дистанция |
0.4 | 82 | 30.41 | 1.5 | 307 | 10.17 |
0.5 | 102 | 25.59 | 1.6 | 328 | 9.62 |
0.6 | 123 | 21.97 | 1.7 | 348 | 9.15 |
0.7 | 143 | 19.40 | 1.8 | 369 | 8.71 |
0.8 | 164 | 17.30 | 1.9 | 389 | 8.33 |
0.9 | 184 | 15.70 | 2.0 | 410 | 7.97 |
1.0 | 205 | 14.33 | 2.1 | 430 | 7.66 |
1.1 | 225 | 13.24 | 2.2 | 451 | 7.36 |
1.2 | 246 | 12.27 | 2.3 | 471 | 7.10 |
1.3 | 266 | 11.48 | 2.4 | 492 | 6.85 |
1.4 | 287 | 10.47 | 2.5 | 512 | 6.63 |
Литература :
нфракрасные излучения. М.: Энергия,1976. Микроконтроллеры в измерительных устройствах.