CN108490445A - 一种基于脉冲宽度检测的红外测距方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲宽度检测的红外测距装置和方法，所述装置包括处理器，红外发射模块和信号处理模块，所述红外发射模块包括用于发射红外脉冲信号的红外发射管以及用于驱动红外发射管的脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路连接至所述处理器；所述信号处理模块包括用于接收红外脉冲信号的红外线接收管，所述红外线接收管的正极接地，负极通过串联的限流电阻R1连接至电源Vdd；所述红外线接收管的负极还连接有串联设置的隔直电路和放大整形电路，所述放大整形电路的输出端连接至所述处理器。本发明装置和方法利用红外线光强随传输距离衰减的特性实现空间测距，具有对设备要求低，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及测距技术领域，特别的涉及一种基于脉冲宽度检测的红外测距方法及装置。
背景技术
测距仪可以分为超声波测距仪，红外线测距仪和激光测距仪，目前所说的红外线测距仪指的就是激光红外线测距仪，也就是激光测距仪。由于红外线在穿越其它物质时折射率很小，不易扩散，因此，红外线被广泛地应用于长距离测距仪。目前，光测距方法主要有脉冲飞行时间测距法和相位法，脉冲飞行时间测距法是通过短脉冲激光往返待测距离的飞行时间与速度的乘积进行测距，相位法是通过比较被调制的连续激光往返传播造成的相位延迟，间接测量出往返时间，再根据时间与速度的乘积进行测距，上述测距方法的本质均是测量红外线往返的时间，需要采用复杂的辅助电子装置来测量光脉冲飞行时间间隔或被调制连续光的相位，对设备的要求高。而发明人在试验中发现，红外线在传播过程中，光强会衰减，随着传播距离的增加，衰减也越大，发明人基于该特性设计了一种新的测距方法和装置。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种利用红外线光强随传输距离衰减的特性，对设备要求较低，成本较低的基于脉冲宽度检测的红外测距方法及装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于脉冲宽度检测的红外测距装置，包括处理器，红外发射模块和信号处理模块，所述红外发射模块包括用于发射红外脉冲信号的红外发射管以及用于驱动红外发射管的脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路连接至所述处理器；所述信号处理模块包括用于接收红外脉冲信号的红外线接收管，所述红外线接收管的正极接地，负极通过串联的限流电阻R1连接至电源Vdd；所述红外线接收管的负极还连接有串联设置的隔直电路和放大整形电路，所述放大整形电路的输出端连接至所述处理器。
进一步的，所述隔直电路为隔直电容C1。
进一步的，所述放大整形电路包括三极管Q1，所述三极管Q1的发射极接地，集电极通过串联的电阻R3连接至电源Vcc，所述三极管Q1的基极与所述电源Vcc之间串联有偏置电阻R2；所述三极管Q1的基极与所述隔直电路的输出端相连，所述三极管Q1的集电极连接至所述处理器。
一种基于脉冲宽度检测的红外测距方法，测距前，先获取上述的基于脉冲宽度检测的红外测距装置，并采用如下步骤对所述红外测距装置进行测距建表：
A、对距离为S的测距空间进行测量，将所述红外测距装置置于该测距空间的一侧，通过处理器控制脉冲驱动电路驱动所述红外发射管向该测距空间的另一侧发射固定频率f和固定占空比D1的红外脉冲信号，所述红外线接收管接收到反射的红外脉冲信号后，会在电源Vdd与地之间产生交流电信号，该交流电信号经过所述隔直电路和所述放大整形电路处理后输出矩形波；所述处理器将接收到的矩形波信号的占空比D2、以及发射的红外脉冲信号的固定频率f和固定占空比D1、测距空间的距离S作为一组对应参数进行储存；
B、每次只改变测距空间的距离S，固定频率f和固定占空比D1中的一项参数，重复步骤A，完成矩形波信号的占空比D2与发射的红外脉冲信号的固定频率f、固定占空比D1以及距离S相对应的测距表；
具体测距时，将所述红外测距装置置于待测距空间的一侧，在测距表中选取一组固定频率f和固定占空比D1作为测距的红外脉冲信号的频率和占空比，通过处理器控制脉冲驱动电路驱动所述红外发射管向待测距空间的另一侧发射红外脉冲信号，所述红外线接收管接收到反射的红外脉冲信号，在电源Vdd与地之间产生交流电信号，经过所述隔直电路和所述放大整形电路处理后输出矩形波；所述处理器根据该矩形波的占空比D2，通过查询测距表即可获得待测距空间的实际距离。
综上所述，本发明装置和方法利用红外线光强随传输距离衰减的特性实现空间测距，具有对设备要求低，成本低等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图。
图2为本发明实施例的电路结构示意图。
图3为图2的等效模型一的示意图。
图4为图2的等效模型二的示意图。
图5为频率-距离-占空比曲线图。
图6为电容充放电曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时：如图1和图2所示，一种基于脉冲宽度检测的红外测距装置，包括处理器1，红外发射模块2和信号处理模块3，所述红外发射模块2包括用于发射红外脉冲信号的红外发射管21以及用于驱动红外发射管的脉冲驱动电路22，所述脉冲驱动电路22连接至所述处理器1；所述信号处理模块3包括用于接收红外脉冲信号的红外线接收管31，所述红外线接收管31的正极接地，负极通过串联的限流电阻R1连接至电源Vdd；所述红外线接收管31的负极还连接有串联设置的隔直电路32和放大整形电路33，所述放大整形电路33的输出端连接至所述处理器1，所述隔直电路32为隔直电容C1，所述放大整形电路33包括三极管Q1，所述三极管Q1的发射极接地，集电极通过串联的电阻R3连接至电源Vcc，所述三极管Q1的基极与所述电源Vcc之间串联有偏置电阻R2；所述三极管Q1的基极与所述隔直电路32的输出端相连，所述三极管Q1的集电极连接至所述处理器1。
由于红外线接收管具有如下特性：
1、红外线接收管可简单等效为一个电阻、电容以及电压源并联的模型，存在比较大的响应时间。
2、红外线接收管的响应时间受光强影响，从无光到有光时，光强越强响应时间越短，二极管两端电压上升越快，斜率越大。
3、光强越强，红外线接收管的电子-空穴对数量越多，二极管两端的电压越小。
如图2所示：R1为限流电阻，为D1提供稳定的工作电流；D1是红外接收管，可以简单等效为受控电流源I1、R4和C2的并联，如图3所示；C1为耦合电容，由于电容有隔直流的作用，因此R1，D1，VDD对放大电路静态工作点不产生影响，让D1因光强变化产生的一定频率的电信号通过。R2为偏置电阻，为三极管Q1工作提供偏置电流。R3将Q1上的电流变化转化成电压变化，输出至单片机或者下一级放大电路。图4为图2的微变电路等效模型，图中将红外接收二极管等效为了一个受控电流源i1。放大后最终输出电压为：
因此，利用红外线接收管结电容较大，内部RC网络造成较大响应时间存在，且响应时间与光强相关的特性，处理器产生一个一定频率的脉冲光信号直接射向红外线接收管或者通过物体反射在射入红外线接收管。此时信号处理模块中，因为红外线接收管收到脉冲光信号产生光电流，接收管两端电压下降，红外线接收管的负极与限流电阻的连接处产生电压波动，产生交流电信号。通过隔直电路，滤除环境中低频信号，具体实施时，还可以用高通滤波电路或带通滤波电路。滤波处理后的信号即为由系统发出脉冲光学信号产生的交流电信号。此交流电信号有以下特征：光强弱时，信号幅度小；光强强时，信号幅度大。频率高时，信号幅度小；频率低时，信号幅度大。
由脉冲光信号产生的交流电信号通过隔直电路后，由整形电路整形，由于整形电路门限值的存在，大于门限电压时为高电平，小于门限电压为低电平。光强大时，响应时间短，二极管两端电压下降快，最终输出的矩形波占空比大，光强弱时，响应时间长，二极管两端电压下降慢，最终输出的矩形波占空比小，通过该特点，结合红外光信号的光强随传输距离的增加而逐渐衰减的特性，就可以通过矩形波的占空比实现测距。
测距前，先采用如下步骤对所述红外测距装置进行测距建表：
A、对距离S已知的测距空间进行测量，将所述红外测距装置置于该测距空间的一侧，通过处理器控制脉冲驱动电路驱动所述红外发射管向该测距空间的另一侧发射固定频率f和固定占空比D1的红外脉冲信号，所述红外线接收管31接收到反射的红外脉冲信号后，会在电源Vdd与地之间产生交流电信号，该交流电信号经过所述隔直电路32和所述放大整形电路33处理后输出矩形波；所述处理器1将接收到的矩形波信号的占空比D2、以及发射的红外脉冲信号的固定频率f和固定占空比D1、距离S作为一组对应的参数进行储存。
B、保持发射的红外脉冲信号的固定频率f和固定占空比D1不变，将距离S每次增大10cm进行测量，记录在固定频率f和固定占空比D1下，不同的距离S所对应的接收端矩形波信号的占空比D2。
C、保持发射的红外脉冲信号的固定占空比D1不变，将固定频率f增加40khz，重复步骤B至少10次，然后重复步骤C至少8次。
得到在发射的红外脉冲信号的固定占空比D1不变时，不同的发射红外脉冲信号的固定频率f下，接收端矩形波信号的占空比D2与距离S的关系如下表所示：
具体实施时，还可以根据具体设备的最大测量量程的需要，进行更多组数据的采集建表。
具体测距时，将所述红外测距装置置于待测距空间的一侧，在测距表中选取一组固定频率f和固定占空比D1作为测距的红外脉冲信号的频率和占空比，通过处理器控制脉冲驱动电路驱动所述红外发射管向待测距空间的另一侧发射红外脉冲信号，所述红外线接收管接收到反射的红外脉冲信号，在电源Vdd与地之间产生交流电信号，经过所述隔直电路和所述放大整形电路处理后输出矩形波；所述处理器根据该矩形波的占空比D2，通过查询测距表即可获得待测距空间的实际距离。
具体实施时，还可以将采集到的建表数据进行拟合，获得拟合方程和拟合曲线，这样，就可以对表中为采集的距离S进行测量；图5为根据上表中部分数据拟合后的频率-距离-占空比曲线图。
图6为电容充放电曲线，图中Uc是电容充电过程两端电压，Uc’是电容放电过程两端电压，Us为外部加在电容两端的源电压。根据电容特性有：
τ＝RC
在实际电路中RC是固定不变的，故时间参数τ不变，Uc电压随Us和t的变化而变化。
低频时，电容有足够的时间充放电，充放过程结束时基本处于曲线后段斜率较小的区域。
高频时，电容没有足够的时间充放电，充放过程结束时，基本处于曲线前段斜率较大区域。
距离远时因为光强变化弱，需要低频以增长电容充放电时间，增大有光无光时的电压差，以便放大。此时，由于充放电的斜率较小，距离引起的占空比变化将会减小，测量精度较低。因此，测量时应该尽可能地使用高频红外光，以增加距离变化时的占空比变化量，但是由于高频充放电时间短，距离远光强弱时无法测量。
基于此，为提高测量精度，测量时，还可以先发射一固定频率的红外脉冲信号，对待测量空间的距离进行预测，获得距离范围，然后根据该距离处于系统设定的距离范围，调整红外光的频率，如果属于较长测量距离，就降低发射的红外脉冲信号的频率，进行测量，如果属于较短的测量距离，就提高发射的红外脉冲信号的频率，进行精确测量。
作为当今最为普遍的智能手机，为避免打电话时脸颊误触碰屏幕，都安装有距离传感器，而该距离传感器就是由一组红外发射管和红外线接收管组成。因此，本申请的一种更好的实施方式是，提供了一种能够红外测距的智能手机，该手机集成有上述基于脉冲宽度检测的红外测距装置。相比于现有成熟的红外测距装置和方法，本申请装置和方法虽然不能保证获得更高的测量精度，但测量结果完全能够满足人们在日常生活中的测量需求，利用智能手机，方便人们的出行。同时，本申请的测距装置和方法为空间测距提供了一种全新的思路，且该装置简单，易于实现，成本低，易于推广。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于脉冲宽度检测的红外测距装置，其特征在于，包括处理器(1)，红外发射模块(2)和信号处理模块(3)，所述红外发射模块(2)包括用于发射红外脉冲信号的红外发射管(21)以及用于驱动红外发射管的脉冲驱动电路(22)，所述脉冲驱动电路(22)连接至所述处理器(1)；所述信号处理模块(3)包括用于接收红外脉冲信号的红外线接收管(31)，所述红外线接收管(31)的正极接地，负极通过串联的限流电阻R1连接至电源Vdd；所述红外线接收管(31)的负极还连接有串联设置的隔直电路(32)和放大整形电路(33)，所述放大整形电路(33)的输出端连接至所述处理器(1)。
2.如权利要求1所述的基于脉冲宽度检测的红外测距装置，其特征在于，所述隔直电路(32)为隔直电容C1。
3.如权利要求1所述的基于脉冲宽度检测的红外测距装置，其特征在于，所述放大整形电路(33)包括三极管Q1，所述三极管Q1的发射极接地，集电极通过串联的电阻R3连接至电源Vcc，所述三极管Q1的基极与所述电源Vcc之间串联有偏置电阻R2；所述三极管Q1的基极与所述隔直电路(32)的输出端相连，所述三极管Q1的集电极连接至所述处理器(1)。
4.一种基于脉冲宽度检测的红外测距方法，其特征在于，测距前，先获取如权利要求1～3所述的基于脉冲宽度检测的红外测距装置，并采用如下步骤对所述红外测距装置进行测距建表：
A、对距离为S的测距空间进行测量，将所述红外测距装置置于该测距空间的一侧，通过处理器控制脉冲驱动电路驱动所述红外发射管向该测距空间的另一侧发射固定频率f和固定占空比D1的红外脉冲信号，所述红外线接收管(31)接收到反射的红外脉冲信号后，会在电源Vdd与地之间产生交流电信号，该交流电信号经过所述隔直电路(32)和所述放大整形电路(33)处理后输出矩形波；所述处理器(1)将接收到的矩形波信号的占空比D2、以及发射的红外脉冲信号的固定频率f和固定占空比D1、测距空间的距离S作为一组对应参数进行储存；
B、每次只改变测距空间的距离S，固定频率f和固定占空比D1中的一项参数，重复步骤A，完成矩形波信号的占空比D2与发射的红外脉冲信号的固定频率f、固定占空比D1以及距离S相对应的测距表；
具体测距时，将所述红外测距装置置于待测距空间的一侧，在测距表中选取一组固定频率f和固定占空比D1作为测距的红外脉冲信号的频率和占空比，通过处理器控制脉冲驱动电路驱动所述红外发射管向待测距空间的另一侧发射红外脉冲信号，所述红外线接收管(31)接收到反射的红外脉冲信号，在电源Vdd与地之间产生交流电信号，经过所述隔直电路(32)和所述放大整形电路(33)处理后输出矩形波；所述处理器(1)根据该矩形波的占空比D2，通过查询测距表即可获得待测距空间的实际距离。
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