基于PSD技术的定距仪设计与实现

卜令涛

（明达职业技术学院 江苏 射阳 224300）

PSD是一种基于横向光电效应的位置敏感传感器，由于其对光斑位置的敏感达到了微米级水平[1-2]，因此被用于许多科研攻关，但在工业生产行业中却因为它的造价成本高，且微米级的精度也没必要，因此并不普及。基于PSD技术的夏普GP2Y0A21传感器默认的测距分辨率为1mm，在经过本文的电路设计后可以很好的提高其定距分辨率，并在控制成本的前提下达到了工业生产中工程应用的要求。

1 夏普GP2Y0A21传感器简介

其中L为有效光敏面的1/2、X为光照的重心位置、I1和I2分别为PSD两电极的电流。按照这个公式通过电路的设计可以确定光照位置，但这是在理想情况下所得，实际情况是背景光以及半导体的暗电流会对X造成较大的误差[6]。因此许多学者在Lucovusky方程的基础上提出了光信号调制解调法、采样—保持法等手段加以辅助[7]。对于光信号的调制解调法，其方法是利用互相关检测原理，对光信号进行调制和解拟电压的形式，且价格低廉，因此工程测量等方面有很多可以值得挖掘利用的实用前景。

由于GP2Y0A21是基于PSD原理的设计，而PSD的光谱范围很宽[4]，对于PSD来说，这既是它的优点也是它的缺点，优点是它能够适应各种光谱的设计，缺点是容易被周围环境的杂光影响，尤其是背景光；早在上世纪60年Lucovusky利用横向光电效应引导出PSD方程[5]：

夏普GP2Y0A21型距离测量传感器是基于PSD的微距传感器，其有效的测量距离在80 cm以内，有效的测量角度大于40°，输出的信号为模拟电压，在0到8 cm左右的范围内与距离成正比非线性的关系，在10～80 cm的距离范围内成反比非线性关系，平均功耗约为30mA，反应时间约为5ms，并且对背景光及温度的适应性较强[3]。由于输出的信号为模调[8]，由于调制的光信号有时间相关性并与时间成函数关系，杂波等信号则没有此特性，在接收部分再对此函数信号进行一定时间的积累而杂光等无法积累，这样就可以把带有时间内容的函数光信号从杂波中剥离出来，从而滤除了杂光等的影响，得到精确的光照位置信号。

GP2Y0A21采用了光信号调制和解调电路，其调制信号为1 kHz，电路框图如图1所示，主要由5个部分组成：信号处理电路、红外LED驱动电路、振荡电路、电源稳压电路、电路输出电路[3]，它的光信号处理电路中又包含了I-V转换电路、比较电路、同步检测电路、解调电路以及电源稳压和振荡电路。由于采用了互相关检测的原理设计，因此实际应用中几乎不受类似背景光等杂光的影响。

图1 夏普GP2Y0A21内部电路框图Fig．1 Diagram of sharp GP2Y0A21 internal circuit

公式（2）中δ为像位移，D为物位移，L1为透镜到物的距离，L2为透镜到像的距离，θ1为光源发出的光与被测面的法线之间的夹角，θ2为成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角，α为光敏面PSD与成像透镜光轴之间的夹角。可以分析出较大的D值就可以对应较小的δ值，这就是夏普GP2Y0A21价格低廉的原因，因为δ实际就是光在PSD光敏面上的位移，而PSD光敏面的大小直接决定了它的成本。

夏普GP2Y0A21传感器在PSD的基础上结合光学三角原理的设计结构，利用菲涅尔透镜减小了PSD的光敏面积，从而很好的节省了传感器的成本，使得PSD的在低端市场的测距普及成为可能。

在斜射式三角测量原理中，其物位移、像位移等各项参量必需满足斯凯普夫拉格原理[6，9]，它们的几何关系为：

2 定距仪的设计方案

2.1 设计思路

利用夏普GP2Y0A21传感器进行合理的设计即可开发出性价比很好的精密定距仪，设计思路如框图2所示，原则是找到夏普GP2Y0A21型距离测量传感器对距离变化最敏感的位置，将这个位置做为定距的节点，取出此点对应的精确电压，以此点电压为设计电路的基准，当距离在此基础上产生变化时就会产生电压差，此电压差就反映出位移；越是分辨率高的定距，要求分辨的电压差就越小。然后将此电压放大做为指示信号以备各种用途。

图2 电路设计框图Fig．2 Diagram of circuit design

2.2 确定定距基准信号

在确定基准电压方面可根据需要来设置，一般有两种情况，一种是对定距距离有优先要求（80 cm以内）；第二种是对分辨率有优先要求。前一种情况如果想要得到较好的分辨率难度较大，而后者则需要接收固定距离的限制。但无论哪种方式，都需要有详细的GP2Y0A21输出信号与距离之间关系，图3是生产商提供的电压与距离关系图表。

图3 距离与输出信号关系Fig．3 Relationship of distance and output signal

分析图3可知，在0～6 cm的范围，曲线较陡表明电压对距离的变化较为敏感，在7～80 cm的范围曲线较为平缓，因此在0～6 cm这个范围内可以得到较高的分辨率。将此段距离进行仔细测量得到输出信号与距离关系图4，从图中看出在0～1 cm的范围关系曲线很陡，电压变化非常敏感，但这段距离太小，在定距方面的应用并不广泛；另外一段则在2～4 cm处也有较好的敏感性，那么在这段距离定距则有较好的应用前景。从图4中可以看出在这段距离范围内，每移动1 mm电压有效值大约会有0．2 V的变化，将这个变化电压取出进行处理，即可达到精密定距的目的。

由于GP2Y0A21YK传感器采用的是PSD光信号调制法，因此其输出的信号电压并不是标准的直流电压而是叠加了波幅约为 0．2 V、频率 1 kHz的方波，由于波幅达到 0．2 V，这就影响了分辨率。如果不进行信号处理，分辨率的精度仅能达到1mm。而如果经过有效处理，在正常情况下可以达到0．1mm以上的精度，完全可以满足一般工程定距等方面的需求。

图4 敏感区域与输出信号关系Fig.4 Relationship of sensitive areas and output signal

3 信号处理电路

3.1 传感器信号分析

信号处理电路设计的原则：由于GP2Y0A21YK传感器输出信号中的小方波振幅是个恒值为0.2 V，那么假设GP2Y0A21YK传感器与目标物体的距离已经固定，传感器产生的静态位移信号就有两个稳定的直流电压值交替输出，即小方波的振幅，如图5所示的max和min，将它们都送入ADC电路，那么ADC电路的并口输出就会有两个交替输出的数字信号，把这两个数字信号取出，大的数字信号作为后续比较电路中的上限值，小的数字信号作为后续电路中的下限值。这样，在传感器探测目标无位移时，信号电压就在比较器设定的上下限之间，当传感器有位移信号输出时，如果是距离缩小，电压信号变小，其小方波中的低值就会小于设定的下限值，这样就在比较电路中得到体现。相反，如果是距离增大，电压信号变大，其小方波的高值就会大于设定的上限值，同样也会在比较电路中表现出来。

图5 固定距离时的调制信号Fig.5 Fixed distancemodulated signal

将定距取在GP2Y0A21YK传感器的敏感点上，从图4分析取26mm处对应的电压有效值为2 V，示波器观察的波形如图5，其中max为2.1 V，min为1.9 V。将2.1 V和 1.9 V通过8位的ADC（基准电压5 V）分别进行AD转换计算可以得到的01100001、01101011数码信号。这两个二进制数码就是用以比较的数值基准信号，如图6所示。

图6 信号比较电路框图Fig.6 Circuit diagram of signal comparison

图7 信号处理电路图Fig.7 Circuit diagram of signal processing

对应8位数码信号，在以5 V为基准电压的情况下，每一位数码对应电压为0.02 V，从图4分析，在敏感位置每0.5mm的移动会有约0.1 V的变化，那么对于0.02 V就对应0.1mm的位移，通过数值比较就可以检测到0.1mm的位移变化。

3.2 电路设计及调试

分别将两个基准数码信号送到8051单片机的P1和P2端口并与P0端口的信号比较，将结果从P3口输出；P0端口为传感器信号经AD转换后的数码信号。电路如图7所示。

P1端口外接8位拨动开关，用以设定上限值；P2端口外接的8位拨动开关，用以设定下限值；它们设定好后的值被8051采集并与P0端口采集的数据进行比较；而P0端口则接收ADC0808输出的8位数字信号。设计的两个8位拨动开关SW1和SW2是用以便于调试操作，实际也可以直接在程序内部进行比较，而不必增加外设。D1到D6为比较结果输出， 当产生位移距离为 0．1mm 时 （增），D1、D3、D4 亮起、D2熄灭、D5、D6 脉冲闪烁。 反之，则 D1、D4、D5 亮起、D6 熄灭、D2、D3脉冲闪烁。如果没有产生位移，则发光二极管D2、D4始终亮起，其他LED脉冲闪烁。

在实际的应用环境中传感器信号必然会受到外界的一定干扰，比如这些纹波的起伏、调制功率变化以及偶尔的随机尖峰脉冲，都会影响到测量结果。因此在单片机程序中设计了每一轮数据的比较都进行10次，如果比较结论相同则输出结果，这样可以较为有效的避免一些诸如尖峰脉冲等因偶然因素引起的脉冲干扰对精度的影响。比较的次数可以依据生产环境等综合因素进行灵活设定，从而达到较好的稳定性，程序流程图如图8所示。

图8 单片机程序流程图Fig．8 Flow chart ofmicrocontroller program

程序部分如下：

4 结 论

在普通的实验条件下，可较顺利的得到以下结果：定距26 mm、分辨率0．1 mm、反应时间10 ms以及基本不受环境背景光、温度等的影响。

当然随着分辨率的提高，对电压的稳定度也提出了更高的要求，每一个更高指标的分辨率，就需要有更精准的电压源做保障，比如 8位的 ADC，分辨率达到 0．1 mm，电源电压的纹波等就不得超过0．02 V，分辨率达到0．025 mm的10位ADC，电源电压的纹波等就不得超过0．004 88 V，以此类推。

本文设计的精密定距仪稍加改动也可替代传统的接近开关等工业测量仪器，在对分辨率没有较高的要求下，也可以将定距距离设计得更长一些，这些内容可以根据具体任务要求来定。

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