紅外感應(yīng)原理基礎(chǔ)知識包括：紅外感應(yīng)開關(guān)原理、去除環(huán)境光的干擾、解決感應(yīng)波動(dòng)問題、增大感應(yīng)距離、提升抗干擾能力。本文主圍繞著紅外線發(fā)光二極管，光敏二極管展開解說：

所謂的紅外感應(yīng)開關(guān)，只是利用了人眼看不到的紅外線來感應(yīng)物體的，感應(yīng)開關(guān)的核心元器件就是紅外反射傳感器了。紅外反射傳感器包括一個(gè)紅外線發(fā)光二極管和一個(gè)紅外線光敏二極管，它們兩個(gè)都朝著一個(gè)方向，被封裝在一個(gè)塑料外殼里。使用的時(shí)候，紅外線發(fā)光二極管點(diǎn)亮，發(fā)出一道人眼看不見的紅外光。如果傳感器的前方?jīng)]有物體，那么這道紅外光就以每秒299792458 米的速度（光速）消散在宇宙空間。但如果傳感器前方有不透明的物體時(shí)，紅外光就會(huì)被反射回來，照在自己也照在旁邊的紅外線光敏二極管身上。紅外線光敏二極管收到紅外光時(shí)，其輸出引腳的電阻值就會(huì)產(chǎn)生變化。判斷紅外線光敏二極管的阻值變化，就可以感應(yīng)前方物體，控制電器開關(guān)了。

下圖主要原理把紅外線發(fā)光二極管以某一頻率進(jìn)行調(diào)制，即讓它以一定的頻率閃爍。在紅外線光敏二極管一端則設(shè)計(jì)一個(gè)電路，讓接收端可以篩選出這一頻率的紅外光源。因?yàn)榄h(huán)境里的紅外光要么是沒有頻率的，要么就是有著自己固定的頻率。像收音機(jī)一樣，傳感器只要以自己的頻率發(fā)射，再以自己的頻率接收就可以過濾其他頻率光源的干擾了，而且由于接收管膠體也對可見光的波段光源進(jìn)行過濾，所以在室內(nèi)使用的情況下是沒有問題的。

不過，當(dāng)強(qiáng)光照進(jìn)室內(nèi)，感應(yīng)開關(guān)受強(qiáng)光的影響而處在不穩(wěn)定的狀態(tài)，自行的開關(guān)，或是對反射物體沒有反應(yīng)。家里常用的電視機(jī)紅外線遙控器也會(huì)讓感應(yīng)開關(guān)失靈。即使把它放在陰暗的角落也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)討厭的問題，當(dāng)反射物體處在某一個(gè)臨界距離時(shí)，感應(yīng)開關(guān)就會(huì)不斷的開關(guān)，繼電器的吸合很快，好像一臺電報(bào)機(jī)。這是因?yàn)榉瓷湮矬w正好處在了感應(yīng)區(qū)的臨界點(diǎn)上，也就是“感應(yīng)到”和“感應(yīng)不到”的分界線上，物體微微靠近或離開就會(huì)產(chǎn)生開關(guān)狀態(tài)的改變。所以一般現(xiàn)都會(huì)通過單片機(jī)對光干擾進(jìn)行軟件上的處理，而且電路比用硬件來做簡單得多。具體電路如下所示：

對于設(shè)計(jì)中存在的一些問題：

1. 如何去除環(huán)境光的干擾？

與之前的硬件調(diào)制解調(diào)的方式不同，在使用ADC 功能之后，另一種解決方案會(huì)讓測試更有效率。那就是使用雙重檢測的方法，前提條件是單片機(jī)可以控制紅外發(fā)光二極管的開關(guān)。首先大家要制作ADC 功能可以讀出接在ADC 接口上電壓的模擬量，數(shù)值從0 到255（十進(jìn)制）。紅外光敏二極管接收的紅外光線強(qiáng)時(shí)，ADC讀出的數(shù)值就大，反之就小。我們要做的就是控制紅外發(fā)光二極管在發(fā)光時(shí)讀一次ADC的數(shù)值，然后再讓紅外發(fā)光二極管熄滅，再讀一次ADC 的數(shù)值。我們先假設(shè)沒有其他紅外光源的干擾，當(dāng)紅外發(fā)光二極管熄滅時(shí)，紅外光敏二極管應(yīng)該檢測不到光源，ADC讀出的數(shù)值也應(yīng)該為0；當(dāng)紅外發(fā)光二極管點(diǎn)亮，且沒有反射物理時(shí)，ADC讀出的值也應(yīng)該很小，接近于為0；當(dāng)有反射物理時(shí)，紅外光敏二極管檢測到光源，ADC 讀出的數(shù)值會(huì)變大。如果存在其他光源的干擾，那么當(dāng)紅外發(fā)光二極管熄滅時(shí)也會(huì)讀到較大的數(shù)值，雙重檢測讀出的數(shù)值的差距越大，表示干擾光源越弱，反之則越強(qiáng)。我們通過這種雙重檢測就可以判斷接收到的紅外光是不是發(fā)射端發(fā)出來的了，兩次檢測的數(shù)值之差就是我們需要的最終數(shù)值。最終數(shù)值將參與下面的算法處理，也是我們判斷、處理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。單片機(jī)需要控制紅外發(fā)光二極管高速開關(guān)，以便更快的采集數(shù)據(jù)。

最終數(shù)值 = 紅外發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)rADC讀出的數(shù)值 - 紅外發(fā)光二極管熄滅時(shí)ADC讀出的數(shù)值

2. 如何解決臨界點(diǎn)的感應(yīng)波動(dòng)問題？

微微向前一點(diǎn)就觸發(fā)，微微向后一點(diǎn)就關(guān)斷，這是臨界點(diǎn)問題的困擾。問題的根源在于觸發(fā)的臨界點(diǎn)和關(guān)斷的臨界點(diǎn)是同一個(gè)距離。只要在基于單片機(jī)系統(tǒng)中把這兩個(gè)臨界點(diǎn)分開，就可以解決這個(gè)問題了。我們知道了，單片機(jī)需要處理的數(shù)據(jù)是“最終數(shù)值”，它是紅外發(fā)光二極管開、關(guān)狀態(tài)時(shí)ADC讀出的數(shù)值之差。最終數(shù)值也是一個(gè)從0 到255 之間不斷變化的變量，反射物理離傳感器越近，“最終數(shù)值”就越大。如果我們在程序里設(shè)置當(dāng)“最終數(shù)值”大于某一值時(shí)（例如200）就觸發(fā)開關(guān)，小于這一值時(shí)就關(guān)斷開關(guān)。這樣編程的效果就是單一臨界點(diǎn)的不穩(wěn)定開關(guān)，單片機(jī)既然都可以模仿不穩(wěn)定的開關(guān)，自然也很容易創(chuàng)造穩(wěn)定的開關(guān)了！只要寫一下程序的設(shè)置就可以很輕松的讓它變得穩(wěn)定。雙臨界點(diǎn)的設(shè)計(jì)只需要兩個(gè)數(shù)值的條件判斷：當(dāng)“最終數(shù)值”大于某一值時(shí)（例如200）就觸發(fā)開關(guān)，當(dāng)“最終數(shù)值”小于另一個(gè)數(shù)值時(shí)（例如150）就關(guān)斷開關(guān)。這樣一來，在150 和200 之間就會(huì)創(chuàng)建一塊中間區(qū)域。當(dāng)反射物理在這個(gè)區(qū)域前后移動(dòng)時(shí)，開關(guān)仍保持其原來的狀態(tài)，或判斷、或觸發(fā)。這種雙臨界點(diǎn)的設(shè)計(jì)，其實(shí)是給反射物體一個(gè)活動(dòng)空間，對反射物體的穩(wěn)定性要求降低了，系統(tǒng)狀態(tài)就自然穩(wěn)定了下來。在實(shí)際調(diào)試過程中可以根據(jù)應(yīng)用的需要修改雙臨界點(diǎn)的兩個(gè)數(shù)值。比如做自動(dòng)手龍頭，手的移動(dòng)范圍較大，所以應(yīng)該

留出較大的活動(dòng)區(qū)域。如果是做自動(dòng)尋跡小車的傳感器，則可以用較小的活動(dòng)區(qū)域，甚至改用單臨界點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。雙臨界點(diǎn)的設(shè)計(jì)是有啟發(fā)性的，你可以利用此設(shè)計(jì)來做更多的事情，或者用在其他傳感器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)之中。如下圖所示：

3. 如何增加感應(yīng)的成功率和可靠性？

“最終數(shù)值”處理和雙臨界點(diǎn)設(shè)計(jì)都可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以如果檢測出錯(cuò)、或者出現(xiàn)誤差，在多

次數(shù)據(jù)采集中出現(xiàn)幾次失敗和誤差是很正常的事情，但如果這些誤差左右了開關(guān)的狀態(tài)，給采集到的數(shù)據(jù)把關(guān)。一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤就放棄當(dāng)前的數(shù)據(jù)，重新采集，這種設(shè)計(jì)就是一種冗余。所以設(shè)計(jì)了一段循環(huán)檢測語句，連續(xù)20 次檢測和判斷采集到的數(shù)據(jù)，如果20 次中有1次誤差就馬上放棄當(dāng)前的所有數(shù)據(jù)，重新檢測。連續(xù)20 次檢測已經(jīng)算是很穩(wěn)定的了，當(dāng)然你也可以為了更穩(wěn)定而改用連續(xù)50 次、100 次的檢測，但是系統(tǒng)的反應(yīng)速度會(huì)慢，靈敏度下降。靈敏度和穩(wěn)定度之間的矛盾是剛性的，在實(shí)際測試中找到適合目標(biāo)系統(tǒng)的檢測次數(shù)就可以了。“最終數(shù)值”、雙臨界點(diǎn)和20 次連續(xù)檢測聽上去好像是很復(fù)雜的事情，可是在程序里面卻是很簡單的幾條語句。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)不在于程序的復(fù)雜性，而是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。下面列出一段關(guān)鍵程序部分與大家分享，這個(gè)簡單的程序包含了以上講到的3種抗干擾設(shè)計(jì)。

RAM_H = Read_ADC; //讀出LED亮?xí)rADC端口的值

RAM_L = Read_ADC; //讀出LED 滅時(shí)ADC端口的值

RAM_H = RAM_H - RAM_L; //取2次檢測值之差，避開環(huán)境光干擾

if(RAM_H > 0x06)

{ //開啟時(shí)的距離（應(yīng)該小于關(guān)閉時(shí)的距離）

CON++; //計(jì)數(shù)加1

CON2 = 0;

if(CON > 20)

{ //連續(xù)20 次檢測，以避開干擾

CON = 0;

LED_Y = 0; //LED 指示燈點(diǎn)亮

}

}

if(RAM_H < 0x03)

{ //關(guān)閉時(shí)的距離

CON2++;

CON = 0;

if(CON2 > 20)

{

CON2 = 0;

LED_Y = 1; //LED 指示燈熄滅

}

}

“最終數(shù)值”、雙臨界點(diǎn)和20次連續(xù)檢測的程序部分

4. 如何增大感應(yīng)距離？

基于單片機(jī)的紅外傳感器的感應(yīng)距離和單片機(jī)的ADC 精度、雙臨界點(diǎn)數(shù)值、紅外發(fā)光二極管的功率、紅外光敏二極管的靈敏度和反射物理的反光效果有關(guān)，一般的感應(yīng)距離不會(huì)超過20CM。不過對于開關(guān)感應(yīng)開關(guān)的設(shè)計(jì)已經(jīng)是足夠了。要想增加感應(yīng)距離可以改進(jìn)以下幾方面。不過更遠(yuǎn)的感應(yīng)距離反而會(huì)讓系統(tǒng)產(chǎn)生許多不確定因素，效果反而不佳。具體的一些設(shè)計(jì)要求如下：

1、 提高ADC精度，例如將8位ADC換成10 位或12 位ADC。

2、 將雙臨界點(diǎn)的數(shù)值設(shè)置得更小。

3、 用LED驅(qū)動(dòng)電路提高紅外發(fā)光二極管的功率（即提高亮度），或是多個(gè)紅外發(fā)射管來增加功率。

4、 為紅外光敏二極管一端加裝信號放大電路，或是增加透鏡來增加感光面積來提高靈敏度。

5、 盡量使用反光效果好的反射物體（如白紙、鏡面）

5. 如何進(jìn)一步提升搞干擾能力？

最后一個(gè)問題是同頻環(huán)境光的干擾，所謂的同頻干擾，就是假設(shè)紅外感應(yīng)開關(guān)的周圍正好存在這么一個(gè)紅外光源，它也按一定的頻率點(diǎn)亮和熄滅，而已這一頻率正好和紅外感應(yīng)開關(guān)中紅外發(fā)光二極管的亮、滅頻率一致，且周期相同。這種巧合并不只是彩票頭獎(jiǎng)的幸運(yùn)觀眾才能遇見的，當(dāng)多個(gè)紅外感應(yīng)開關(guān)在較近的距離內(nèi)同時(shí)使用，問題就自然會(huì)出現(xiàn)。如果它們之間的距離不能改變，那就只有用跳頻的方法來解決了。跳頻技術(shù)在移動(dòng)電話和無繩電話機(jī)上已經(jīng)成為必備的功能，為了防止竊聽或當(dāng)某一頻道被占用時(shí)，電話機(jī)會(huì)自動(dòng)切換到別的頻道，讓通信更穩(wěn)定、可靠。對于紅外感應(yīng)開關(guān)來說，跳頻并沒有那么復(fù)雜，只要在程序中不斷改變紅外發(fā)光二極管的亮、滅時(shí)間，用不同的頻率去檢測，其他干擾光源也以相同頻率跳變的機(jī)會(huì)就少之又少了，再加上前面介紹的20 次連續(xù)檢測功能，再遇見干擾的可能性幾乎為0了。