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為了能夠使得下一屆的智能車競賽中的節(jié)能信標組擺脫磁鐵的干擾，可以進行對抗比賽。在現(xiàn)有的節(jié)能信標燈的基礎(chǔ)上，增加光電反射檢測單元。該電路采用了反射式光電檢測管，利用單片機的定時ADC轉(zhuǎn)換，可以在降低環(huán)境光線影響的基礎(chǔ)上，提高檢測的可靠性。
01 測試背景
一、為什么需要反射式光電檢測？
1、節(jié)能信標組
在 第十六屆智能車競賽競速比賽[1] 中有一組節(jié)能信標組。車模有參賽隊伍自行設(shè)計制作，其中需要車模本身帶有強磁鐵來觸發(fā)信標的切換。
如果兩個信標燈進行對抗比賽的話，他們就極易由于磁鐵的吸引而相互纏繞在一起。比如下面是中國計量大學(xué)賽博隊之間的相互對抗比賽，可以看到最終他們的車模由于磁鐵吸引在 一起了。
▲ 圖1.0 中國計量大學(xué)賽博隊之間進行信標組對抗比賽
因此需要改變現(xiàn)在的信標燈使其能夠通過其它的方式來檢測是否車模停留在其上，或者經(jīng)過信標燈。因此，一種方案就是使用反射式光電檢測電路來測試是否有車模路經(jīng)過信標燈的正上方。
2、反射式光電檢測
為了能夠與原來霍爾器件相兼容，制作的反射式光電檢測電路可以獨自安裝在白色燈盤下面。它的體積很小，位于燈罩的正中央。當(dāng)車模途徑燈罩時，可以反射光電管發(fā)射的紅外光，從而觸發(fā)檢測電路。
在前面博文 反射式紅外光電管 ITR8307[2] 對于小型反射式紅外光電管ITR8307的特性進行了測量，通常情況下，這款微型光電管檢測反射物體距離只有幾毫米。這個距離不能夠滿足節(jié)能信標組內(nèi)檢測車模經(jīng)過的需求。
在信標燈檢測中，對于光電檢測性能要求：
- 可靠的檢測距離應(yīng)該大于
5厘米；能夠?qū)τ诃h(huán)境光線不敏感；
在反射式紅外光電管 ITR8307[3]中，可以看到，可以通過一下幾種方式來增加ITR8307的檢測距離：
為了達到不受環(huán)境光線的影響，則需要對于ITR8307的發(fā)送與檢測通過信號調(diào)制發(fā)送與解調(diào)接收。
二、利用ADC進行信號檢測
1、基本原理
利用單片機的IO口控制ITR8307的發(fā)光二極管的導(dǎo)通與截止，然后利用單片機的ADC來檢測ITR8307光電三極管集電極輸出電壓的變化。由于這個變化是與發(fā)送二極管的導(dǎo)通截止是同步的，而且可以做到高速切換，所以這可以與環(huán)境光線的緩慢變化相區(qū)分。
如果單片機IO口輸出的調(diào)制頻率做到50Hz的整數(shù)倍數(shù)，同樣這也可以將照片燈光中50Hz及其諧波分量進行濾除。
2、利用ESP8266做實驗
為了驗證上面方式的可行性以及檢測效果，使用 ESP-12F模塊轉(zhuǎn)接板模塊[3] 進行實驗。在 測試三相無刷電機驅(qū)動器 XXD2212 電調(diào)[4] 中對于ESP8266的ADC轉(zhuǎn)換時間進行了測量，它需要240。
根據(jù) ESP8266 MicroPython ADC[5] 文檔可以知道，它的電壓轉(zhuǎn)換范圍是0 ~ 1.0V，ADC數(shù)值為 10bit。
下圖給出了利用DH1766可編程直流電源輸出直流電壓到ESP8266的 ADC，它的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入電壓之間的關(guān)系。
▲ 圖1.1 ESP8266 ADC測試結(jié)果
02 測試實驗
一、測試電路
下圖給出了測試電路。其中T1用于驅(qū)動ITR8307的發(fā)光二極管；U2是將ITR8307的集電極的電壓進行阻抗轉(zhuǎn)換，然后又R4，R5分壓后送入ESP8266的ADC。
▲ 圖2.1 測試電路
▲ 圖2.2 在面包板上搭建的實驗電路
二、測量結(jié)果
1、初步測試
使用PIn5產(chǎn)生100Hz的 50% 占空比的PWM波形，驅(qū)動T1（9018）。將 ITR8307 至于反射白紙上面 5 厘米。測試 ITR8307的光電管集電極的電壓波形。
▲ 圖2.3 將ITR8307置于白紙上方5厘米
下面是測量ITR8307的光電管輸出電壓波形。
▲ 圖2.4 測量ITR8307的光電管輸出電壓波形
2、測試交替ADC數(shù)值
采集相繼調(diào)制后的ADC數(shù)值。
(1) 上面沒有任何遮擋物
下面顯示了光電管上面沒有任何遮擋物讀出的數(shù)值。
▲ 圖2.2.2 直接對射天空讀取數(shù)值
(2) 手從光電管上方經(jīng)過
下圖顯示了手從光電管上方5厘米經(jīng)過引起讀數(shù)的波動。
▲ 圖2.2.3 手在光電管上面5厘米經(jīng)過對應(yīng)的波形
從上面對比實驗來看，這種方式光電管可以很靈敏檢測到經(jīng)過物體。
三、環(huán)境光濾波
1、環(huán)境光線干擾
下圖顯示了，室內(nèi)電燈引起光電管的輸出電壓波?？梢钥吹剿?00Hz的波動。根據(jù) 電燈泡內(nèi)通有交流電，為什么看不到燈泡在閃爍？[6] 可以知道這是由于室內(nèi)電燈的閃爍引起光電管的輸出信號。
▲ 圖2.3.1 環(huán)境光引起輸出光線波動
2、控制采樣時間間隔
如果前后兩次讀取的ADC值時間恰好是10ms的整數(shù)倍數(shù)，這種波動反映在兩次ADC數(shù)值上變化很小。在前面的實驗中，前后兩次讀取數(shù)值時間間隔為20ms，所以電壓波動比較小。
如果將前后兩次ADC的轉(zhuǎn)換時間改為5ms，此時對應(yīng)的數(shù)值波動就會大大增加了。下圖顯示了這種情況下采集到的數(shù)值波動。
▲ 圖2.3.2 兩次ADC轉(zhuǎn)換時間間隔為5ms時對應(yīng)的ADC波動值
3、在中斷中采樣
在前面實驗中是在程序循環(huán)中進行ADC采樣。由于ADC采樣也會產(chǎn)生一定的時間，所以循環(huán)對應(yīng)的時間間隔不一定是10ms準確的倍數(shù)。
通過在定時中斷中進行ADC轉(zhuǎn)換，可以進一步提高兩次采樣時間的精度。通過對比可以看到，在定時器中斷中采樣ADC的確降低了環(huán)境光線對于ADC數(shù)值波動的影響。
▲ 圖2.4.1 在中斷中采樣ADC的波動
四、增加靈敏度
為了使得車模經(jīng)過信標燈罩更容易被檢測到，可以在車模底盤粘貼白色，或者紅色的紙張，這樣可以進一步增加反射信號的強度，從而使得光電檢測更加靈敏。
▲ 圖2.4.2 使用紅色反射布經(jīng)過光電管上方引起數(shù)值輸出
03 測試結(jié)論
通過ESP8266的ADC讀取反射式光電管的輸出電壓，可以比較方便進行光電信號的同步解調(diào)。只要相鄰兩次的ADC轉(zhuǎn)換時間為10ms的整數(shù)倍數(shù)，就可以抑制由于環(huán)境光線對于光電管輸出信號的影響。
下面，就需要使用普通的單片機來實現(xiàn)上述檢測方案。制作成功能小板，可以在現(xiàn)有的節(jié)能燈電路上直接進行焊接，替代原來的霍爾傳感器。
一、現(xiàn)在方案存在的問題
最后需要說明一下，實際上本文的方案在考慮的時候是沒有考察發(fā)光盤本身發(fā)送的紅光以及紅外線的影響。相關(guān)這部分的問題以及如何應(yīng)用需要進行進一步的測試與研究。
▲ 圖3.4 測試發(fā)射部分
參考資料
[1]第十六屆智能車競賽競速比賽: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008
[2]反射式紅外光電管 ITR8307: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/120116131
[3]ESP-12F模塊轉(zhuǎn)接板模塊: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115419385
[4]測試三相無刷電機驅(qū)動器 XXD2212 電調(diào): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/120143733
[5]ESP8266 MicroPython ADC: https://docs.micropython.org/en/latest/esp8266/quickref.html#adc-analog-to-digital-conversion
[6]電燈泡內(nèi)通有交流電，為什么看不到燈泡在閃爍？: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108519603
