基于夏普GP2Y0A21傳感器的PSD技術(shù)定距儀設(shè)計(jì)

在精密測(cè)距行業(yè)中基于PSD 技術(shù)的非接觸性激光測(cè)距儀代表了最高的性能，但由于其高昂的價(jià)格，使得很多科研者、工程師、生產(chǎn)者等不得不望而卻步。介紹了基于PSD 技術(shù)的夏普GP2Y0A21 型傳感器，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合ADC 及單片機(jī)進(jìn)行了定距裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)GP2Y0A21 型傳感器在距離最敏感的區(qū)域做了詳細(xì)的記錄測(cè)量，在設(shè)計(jì)中以PROTEUS 仿真為平臺(tái)，然后再進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，在反復(fù)驗(yàn)證后，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能參數(shù)能達(dá)到定距26 mm、分辨率0.1 mm、響應(yīng)時(shí)間小于10 mm,基本不受背景光及溫度的影響，能滿足大部分工程應(yīng)用的性能要求，且所用的元器件價(jià)格低廉，有很高的性價(jià)比，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

PSD 是一種基于橫向光電效應(yīng)的位置敏感傳感器，由于其對(duì)光斑位置的敏感達(dá)到了微米級(jí)水平，因此被用于許多科研攻關(guān)， 但在工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中卻因?yàn)樗脑靸r(jià)成本高，且微米級(jí)的精度也沒必要，因此并不普及?；赑SD 技術(shù)的夏普GP2Y0A21 傳感器默認(rèn)的測(cè)距分辨率為1 mm, 在經(jīng)過本文的電路設(shè)計(jì)后可以很好的提高其定距分辨率，并在控制成本的前提下達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)中工程應(yīng)用的要求。

夏普GP2Y0A21 傳感器簡(jiǎn)介

夏普GP2Y0A21 型距離測(cè)量傳感器是基于PSD 的微距傳感器，其有效的測(cè)量距離在80 cm 以內(nèi)，有效的測(cè)量角度大于40°，輸出的信號(hào)為模擬電壓，在0 到8 cm 左右的范圍內(nèi)與距離成正比非線性的關(guān)系， 在10~80 cm 的距離范圍內(nèi)成反比非線性關(guān)系，平均功耗約為30 mA,反應(yīng)時(shí)間約為5 ms,并且對(duì)背景光及溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)。由于輸出的信號(hào)為模擬電壓的形式，且價(jià)格低廉，因此工程測(cè)量等方面有很多可以值得挖掘利用的實(shí)用前景。

由于GP2Y0A21 是基于PSD 原理的設(shè)計(jì)，而PSD 的光譜范圍很寬，對(duì)于PSD 來說，這既是它的優(yōu)點(diǎn)也是它的缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是它能夠適應(yīng)各種光譜的設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是容易被周圍環(huán)境的雜光影響，尤其是背景光；早在上世紀(jì)60 年Lucovusky 利用橫向光電效應(yīng)引導(dǎo)出PSD 方程：

其中L 為有效光敏面的1/2、X 為光照的重心位置、I1和I2分別為PSD 兩電極的電流。按照這個(gè)公式通過電路的設(shè)計(jì)可以確定光照位置，但這是在理想情況下所得，實(shí)際情況是背景光以及半導(dǎo)體的暗電流會(huì)對(duì)X 造成較大的誤差。因此許多學(xué)者在Lucovusky 方程的基礎(chǔ)上提出了光信號(hào)調(diào)制解調(diào)法、采樣-保持法等手段加以輔助。對(duì)于光信號(hào)的調(diào)制解調(diào)法，其方法是利用互相關(guān)檢測(cè)原理，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，由于調(diào)制的光信號(hào)有時(shí)間相關(guān)性并與時(shí)間成函數(shù)關(guān)系，雜波等信號(hào)則沒有此特性，在接收部分再對(duì)此函數(shù)信號(hào)進(jìn)行一定時(shí)間的積累而雜光等無法積累，這樣就可以把帶有時(shí)間內(nèi)容的函數(shù)光信號(hào)從雜波中剝離出來，從而濾除了雜光等的影響，得到精確的光照位置信號(hào)。

GP2Y0A21 采用了光信號(hào)調(diào)制和解調(diào)電路， 其調(diào)制信號(hào)為1 kHz,電路框圖如圖1 所示，主要由5 個(gè)部分組成：信號(hào)處理電路、紅外LED 驅(qū)動(dòng)電路、振蕩電路、電源穩(wěn)壓電路、電路輸出電路，它的光信號(hào)處理電路中又包含了I-V 轉(zhuǎn)換電路、比較電路、同步檢測(cè)電路、解調(diào)電路以及電源穩(wěn)壓和振蕩電路。由于采用了互相關(guān)檢測(cè)的原理設(shè)計(jì)，因此實(shí)際應(yīng)用中幾乎不受類似背景光等雜光的影響。

圖1 夏普GP2Y0A21 內(nèi)部電路框圖