光电传感器与应用电路
作者：dolphin
时间：2017-08-21
1.主要类型
光电传感器根据检测模式的不同可分为如下几种：
（1）反射式光电传感器将发光器与光敏器件置于一体内，发光器发射的光被检测物反射到光敏器件。
（2）透射式光电传感器将发光器与光敏器件置于相对的两个位置，光束也是在两个相对的物体之间，穿过发光器与光敏器件的被检测物体回阻断光束，并启动受光器。
（3）聚焦式光电传感器将发光器与光敏器件聚焦于特定距离，只有当被检测物体出现在聚焦点时，光敏器件才会接受到发光器发出的光束。
1）利用反射式光电传感器检测黑白物体
利用反射式光电传感器检测黑白物体的电路如图
由于黑色物体和白色物体的反射系数不同，调节反射式光电传感器与检测对象之间的距离，使光敏三极管就只能接受到白色物体反射回来的光束。而对于黑色物体由于其反射系数小，所反射回来的光束很弱，光敏三极管无法接受到反射光。利用反射光可以使光敏三极管实现导通和关断，从而实现对黑白物体的分辨。
电路工作过程如下：当被测物体是黑色物体时，红外光电二极管U1发射出的光，被反射回来的很弱，光敏三极管无法导通，所以A点此时为高电平，通过反相器7414，FPGA或者微控制器接受到的信号是低电平。当被测物体是白色物体时，红外光电二极管U1发射的光，被反射回来的很强，光敏三极管导通，所以A点此时为低电平，通过反相器7414， FPGA或者微控制器接受到的信号是高电平； FPGA或者微控制器检测输入的电平，即可以判断此时被检测物体是白色物体还是黑色物体。
集成光电检测器
集成的光电传感器
（1）分类
集成的光电传感器主要有反射式光电开关、会聚式光电开关、透射式光电开关、反射板式光电开关、光纤穿透式开关、光纤反射式开关等几种，一般采用前三种。
（2）工作光源
采用的工作光源主要有可见红光（650nm）、可见绿光（510nm）和红外光（800～940nm）。不同的光源在具体情况下各有其长处。例如：在不考虑被测物体颜S***Q况下，红外光有较宽的敏感范围，而可见红光或绿光特别适合于反差检测，光源的颜色必须根据被测物体的颜色来选择，红色物体与红色标记宜用绿光（互补色）进行检测。
（3）外形
按照外壳形状可分为：螺纹圆柱形系列，圆柱形系列，方形系列，槽型贯穿形系列。比较常用的螺纹圆柱形系列外形如图3.6.21所示。
（4）接线图与电感式接近传感器相同。具体型号可进入有关网站查询。
螺纹园柱型光电传感器
往届应用
探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。利用这个原理，可以控制小车行走的路迹。下面几种可行的方案是根据本原理设计的：
方案一：采用普通的发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，如图1-1所示。其工作原理：当无光照时，光敏电阻呈现高阻状态，又分压公式可知，电阻R2无压降三极管截止，三极管的集电极输出高电平；反之，当有光照的时候，光敏电阻接收到反射的光，其阻值下降，由分压公式，R2有压降三极管导通，输出低电平，利用高低电平可以判断控制小车的形程和方向。本方案能达到基本的控制要求，但是它的缺点在于容易受到外界光线的干扰，不易于控制小车的行迹，损坏了信号采集的效果。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、材料的反射情况有关直接影响到检测效果。
1-1发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案
方案二：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用该有交流分量的调制信号，侧可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流。如果采用占空比小的调制信号，再平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比。并且其反应灵敏，外围电路也很简单。如图1-2所示。它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度，制作比较简单。
1-2脉冲调制的反射式红外发射接收方案
由以上两种方案比较可知。方案二要比方案一优势大，市场上很多红外观点探头也都基于这个原理。其电路简单，工作可靠，性能比较稳定。从而避免了电路的复杂性，因此我先用方案二作为小车的监测系统。
2．电动机的选择
市场上用很多种类的小电压直流电动机，很方便的选择到。主要有普通电动机、和步进电动机。
方案一：采用步进电机，步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力，能够达到我们所要求的标准。如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即是步进电机启动或反转。其转换灵敏度比较高。正转、反转控制灵活。但是步进电机的价格比较昂贵，对于我们的现状相差太远。
方案二：采用普通的直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便。调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。能满足各种不容的特殊运行要求。
由于普通直流电机价格适宜，更易于购买，并且电路相对简单，因此建议采用直流电机作为动力源。
3．电动机驱动方案的选择
方案一：采用电路网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调整速度目的。但是组织网络只能是先有极调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在于干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小丹电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：采用继电器对电动机的开关控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易于损坏，寿命较短、可靠性小。
方案三：采用四个大功率晶体管组成H桥式电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电机的运行。该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。
光电传感器根据检测模式的不同可分为如下几种：
（1）反射式光电传感器将发光器与光敏器件置于一体内，发光器发射的光被检测物反射到光敏器件。
（2）透射式光电传感器将发光器与光敏器件置于相对的两个位置，光束也是在两个相对的物体之间，穿过发光器与光敏器件的被检测物体回阻断光束，并启动受光器。
（3）聚焦式光电传感器将发光器与光敏器件聚焦于特定距离，只有当被检测物体出现在聚焦点时，光敏器件才会接受到发光器发出的光束。
1）利用反射式光电传感器检测黑白物体
利用反射式光电传感器检测黑白物体的电路如图
由于黑色物体和白色物体的反射系数不同，调节反射式光电传感器与检测对象之间的距离，使光敏三极管就只能接受到白色物体反射回来的光束。而对于黑色物体由于其反射系数小，所反射回来的光束很弱，光敏三极管无法接受到反射光。利用反射光可以使光敏三极管实现导通和关断，从而实现对黑白物体的分辨。
电路工作过程如下：当被测物体是黑色物体时，红外光电二极管U1发射出的光，被反射回来的很弱，光敏三极管无法导通，所以A点此时为高电平，通过反相器7414，FPGA或者微控制器接受到的信号是低电平。当被测物体是白色物体时，红外光电二极管U1发射的光，被反射回来的很强，光敏三极管导通，所以A点此时为低电平，通过反相器7414， FPGA或者微控制器接受到的信号是高电平； FPGA或者微控制器检测输入的电平，即可以判断此时被检测物体是白色物体还是黑色物体。
集成光电检测器
集成的光电传感器
（1）分类
集成的光电传感器主要有反射式光电开关、会聚式光电开关、透射式光电开关、反射板式光电开关、光纤穿透式开关、光纤反射式开关等几种，一般采用前三种。
（2）工作光源
采用的工作光源主要有可见红光（650nm）、可见绿光（510nm）和红外光（800～940nm）。不同的光源在具体情况下各有其长处。例如：在不考虑被测物体颜S***Q况下，红外光有较宽的敏感范围，而可见红光或绿光特别适合于反差检测，光源的颜色必须根据被测物体的颜色来选择，红色物体与红色标记宜用绿光（互补色）进行检测。
（3）外形
按照外壳形状可分为：螺纹圆柱形系列，圆柱形系列，方形系列，槽型贯穿形系列。比较常用的螺纹圆柱形系列外形如图3.6.21所示。
（4）接线图与电感式接近传感器相同。具体型号可进入有关网站查询。
螺纹园柱型光电传感器
往届应用
探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。利用这个原理，可以控制小车行走的路迹。下面几种可行的方案是根据本原理设计的：
方案一：采用普通的发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，如图1-1所示。其工作原理：当无光照时，光敏电阻呈现高阻状态，又分压公式可知，电阻R2无压降三极管截止，三极管的集电极输出高电平；反之，当有光照的时候，光敏电阻接收到反射的光，其阻值下降，由分压公式，R2有压降三极管导通，输出低电平，利用高低电平可以判断控制小车的形程和方向。本方案能达到基本的控制要求，但是它的缺点在于容易受到外界光线的干扰，不易于控制小车的行迹，损坏了信号采集的效果。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、材料的反射情况有关直接影响到检测效果。
1-1发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案
方案二：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用该有交流分量的调制信号，侧可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流。如果采用占空比小的调制信号，再平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比。并且其反应灵敏，外围电路也很简单。如图1-2所示。它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度，制作比较简单。
1-2脉冲调制的反射式红外发射接收方案
由以上两种方案比较可知。方案二要比方案一优势大，市场上很多红外观点探头也都基于这个原理。其电路简单，工作可靠，性能比较稳定。从而避免了电路的复杂性，因此我先用方案二作为小车的监测系统。
2．电动机的选择
市场上用很多种类的小电压直流电动机，很方便的选择到。主要有普通电动机、和步进电动机。
方案一：采用步进电机，步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力，能够达到我们所要求的标准。如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即是步进电机启动或反转。其转换灵敏度比较高。正转、反转控制灵活。但是步进电机的价格比较昂贵，对于我们的现状相差太远。
方案二：采用普通的直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便。调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。能满足各种不容的特殊运行要求。
由于普通直流电机价格适宜，更易于购买，并且电路相对简单，因此建议采用直流电机作为动力源。
3．电动机驱动方案的选择
方案一：采用电路网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调整速度目的。但是组织网络只能是先有极调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在于干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小丹电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：采用继电器对电动机的开关控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易于损坏，寿命较短、可靠性小。
方案三：采用四个大功率晶体管组成H桥式电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电机的运行。该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。
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