簡單穩(wěn)定地感應(yīng)你——紅外感應(yīng)開關(guān)的創(chuàng)新制作

這次豪華酒店的廁所之旅把我給震撼了，原來電器的開關(guān)可以這么智能，不用我們觸碰到它，它就可以感應(yīng)到我。我的腦子開始高速運轉(zhuǎn)，想象著這項技術(shù)應(yīng)用到自己家中的情景。媽媽洗菜可以不用開水龍頭，家里的電燈不用出力按就可以開關(guān)，還有家里的電視機、電風(fēng)扇、奶奶的收音機都可以放上這種感應(yīng)開關(guān)。把它裝在大門上，和門鈴連接，只要有人站在門口，門鈴就會響。我的小伙伴來家里找我，一定會把他們嚇一跳的。想著想著，忍不住笑出聲來。

從數(shù)字電路到單片機

上了大學(xué)后，學(xué)校里有很多書店。在沒有發(fā)現(xiàn)單片機之前，我一直在書店的電子技術(shù)專區(qū)里徘徊。那里有好多關(guān)于電子制作的書，都是我喜愛的。我最愛看的就是電子制作500例之類的書，里面的好多制作簡單又實用。某天，我突然在書中發(fā)現(xiàn)了紅外線感應(yīng)干手機的制作實例。一下把我?guī)Щ氐侥且淮坞y忘經(jīng)歷——豪華酒店的廁所之旅。我要實現(xiàn)我少年的夢想，我要實現(xiàn)這個制作。接下來的日子里，我就開始研究紅外線感應(yīng)干手機的原理和電路。
原來，所謂的感應(yīng)開關(guān)，只是利用了人眼看不到的紅外線來感應(yīng)物體。感應(yīng)開關(guān)的核心元器件就是紅外反射傳感器。紅外反射傳感器包括一個紅外線發(fā)光二極管和一個紅外線光敏二極管，它們兩個都朝著一個方向，被封裝在一個塑料外殼里。使用時，紅外線發(fā)光二極管點亮，并發(fā)出一道人眼看不見的紅外光。如果傳感器的前方?jīng)]有物體，那么這道紅外光就以299792458m/s的速度（光速）消散在宇宙中。
但如果傳感器前方有不透明的物體時，紅外光就會被反射回來，會照在旁邊的紅外線光敏二極管上。紅外線光敏二極管接收到紅外光后，其輸出引腳的電阻值就會產(chǎn)生變化。通過判斷這個阻值的變化，它就可以感應(yīng)到前方的物體，進而控制電器開關(guān)了。
了解了原理，又看到了書中的電路原理圖后，我卻產(chǎn)生了新的疑惑。紅外線發(fā)光二極管應(yīng)該和普通二極管的驅(qū)動電路一樣，用紅外線光敏二極管加一個三極管放大接收信號來驅(qū)動繼電器不就可以了嗎？為什么還要加NE555和CD4069兩個芯片，把簡單的事情搞復(fù)雜了呢？看了后面的文章介紹才知道，原來這樣做的目的是為了防止環(huán)境光的干擾。在我們生活的環(huán)境里，處處都暗藏著紅外線。太陽是最常見的紅外線發(fā)光體，還有火光、燈光、紅外線遙控器和一些不可預(yù)知的光源。問題來了，身邊這么多紅外線光源，傳感器里的紅外線光敏二極管怎么知道哪些光是環(huán)境里的紅外光，哪些光是它鄰居發(fā)出來的紅外光呢？于是天才的工程師想到了調(diào)制解調(diào)的辦法。他們把紅外線發(fā)光二極管以某一頻率進行調(diào)制，即讓它以一定的頻率閃爍。在紅外線光敏二極管一端則設(shè)計一個電路，讓接收端可以篩選出這一頻率的紅外光源。像收音機一樣，傳感器只要以自己的頻率發(fā)射，再以自己的頻率接收就可以過濾掉其他頻率光源的干擾了。

哈哈，看過原理之后，心中暗自生起了一團烈火。然后以70km/h的速度（坐車）奔向電子市場。備齊了元器件，照著原理圖制作出了實物。不得不佩服我當(dāng)時的焊接水平，用了一片小小的洞洞板，把電路制作得小巧、緊湊。不過接上電源之后，問題就來了，當(dāng)我把手放在感應(yīng)區(qū)域時，指示燈并沒有亮。后來發(fā)現(xiàn)，這是發(fā)射頻率和接收頻率不匹配導(dǎo)致的，因為采用的是RC電路產(chǎn)生頻率，簡單地說就是靠電容的充放電周期產(chǎn)生頻率，所以頻率很容易隨溫度變化而變化。電路的調(diào)試花了我許多時間，在沒有示波器的幫助下，光靠反復(fù)修改電阻值和電容值的測試來達到成功是多么困難的事情呀！當(dāng)同學(xué)把手放在感應(yīng)區(qū)，指示燈亮起的那一刻，所有調(diào)試的困苦都轉(zhuǎn)化為成就感，在同學(xué)們贊嘆的話語中成幾何性倍增了。
像電影一樣，故事到了高潮，接下來的每一步都是墜落。同學(xué)們只看到了光彩的一面，背地里它悄悄出現(xiàn)的問題，都成為我們私下獨處時的傷痛。在一個陽光明媚的下午，強光照進室內(nèi)，感應(yīng)開關(guān)受強光的影響而處在不穩(wěn)定的狀態(tài)，它不斷地自行開關(guān)，而且對反射物體沒有反應(yīng)。家里常用的電視機紅外線遙控器也會讓感應(yīng)開關(guān)失靈。即使把它放在陰暗的角落也會出現(xiàn)一個討厭的問題，即當(dāng)反射物就會不斷地開關(guān)，繼電器的吸合很快，好像一臺電報機。這是因為反射物體正好處在了感應(yīng)區(qū)的臨界點上，也就是“感應(yīng)到”和“感應(yīng)不到”的分界線上，物體微微靠近或離開就會產(chǎn)生開關(guān)狀態(tài)的改變。沒有人會希望自己家的電燈像閃電、水龍頭像音樂噴泉吧。這些問題加在一起，讓感應(yīng)開關(guān)的應(yīng)用很不理想，辛辛苦苦把家里所有的電燈開關(guān)都改裝成感應(yīng)的，不到一個月又被爸爸改回了傳統(tǒng)開關(guān)。慢慢的，對感應(yīng)開關(guān)的興趣就被音控開關(guān)、延時開關(guān)的制作熱情所取代。幾星期后，我和紅外線感應(yīng)開關(guān)徹底分手了。
從那之后的某一天，我開始學(xué)習(xí)單片機。幾個月前我對單片機內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）產(chǎn)生了興趣，不斷地探索它的妙用，DIS.MUSIC3炫彩音樂顯示器就是利用ADC來采集音頻信號的。突然有一天，我想，利用帶有ADC功能的單片機可不可以取代傳統(tǒng)的數(shù)字電路，而讓紅外線感應(yīng)開關(guān)變得更穩(wěn)定呢？在網(wǎng)上搜索了半天，沒有找到基于單片機的紅外線傳感器的制作。這個情況對我來說亦好亦壞，好的是如果制作成功，這將又會是我的一項創(chuàng)新制作；壞的是我沒有任何可以參考的資料，甚至都不能保證我的想法是否可行。我學(xué)習(xí)單片機的過程好像是一條正弦波，從基礎(chǔ)開始學(xué)習(xí)，然后開發(fā)應(yīng)用程序，再后來獨立完成創(chuàng)新制作，到最后又回到了基礎(chǔ)技術(shù)問題的研究。接下來的日子里，我做得最多的事是研究紅外線的知識。做了N多次實驗，用不同的紅外線發(fā)光源來做研究，找到它們的特性和區(qū)別。之后開始研究電路制作簡單、同時又具備高穩(wěn)定性的紅外感應(yīng)開關(guān)。研究到最后，我自己都驚訝了，原來硬件電路可以如此簡單，簡單到?jīng)]有任何多余的元器件——單片機、紅外反射傳感器、LED指示燈和電源。在之前的版本里，硬件電路上還需要加一條導(dǎo)線，但是后來我修改了程序算法，這條導(dǎo)線便光榮下崗了。
是的，程序算法——一種殺人于無形的利器。如果人類和動物的區(qū)別是人類具有理性和智慧的話，那么單片機與數(shù)模電路的區(qū)別就是單片機具有程序控制。單片機程序精確地處理著時間和狀態(tài)，軟件的強大把硬件成本降到最低，并可以零成本復(fù)制。我熱愛編程，它給了我無窮的樂趣和超乎想象的創(chuàng)新可能。如果我是即將畢業(yè)的大學(xué)生，我會把這個創(chuàng)新制作寫成論文，讓導(dǎo)師喜笑顏開；如果我是專注科普的《無線電》雜志的作者，我就只能用微小的篇章簡單地說一說這款制作的基本原理了。但在此之前，先讓我們趁著熱情未減，親手制作一下這款基于單片機的紅外感應(yīng)開關(guān)，體驗它的精巧構(gòu)思，檢驗它的抗干擾能力吧。
我是在面包板上搭建的電路，電源采用的是3節(jié)5號電池所組成的4.5V直流電源。因為電路非常簡單，我還特意為了面包板上的接插布局而定義了IO接口。所以我們連導(dǎo)線都不需要，只要把單片機、紅外反射傳感器和LED指示燈插在指定的孔洞里就行了。值得注意的問題有：單片機需要使用帶有ADC功能的STC12C2052AD系列；燒寫程序時，選擇使用內(nèi)部RC振蕩器；紅外反射傳感器沒有特定的型號，我使用的是RPR220，你也可以使用其他型號的產(chǎn)品。
在面包板搭建的實驗電路上測試，有沒有感覺到它的精簡和穩(wěn)定呢？把LED指示燈接在P1.7接口上時，它是無鎖存的感應(yīng)開關(guān)，即有反射物體時LED燈亮，物體離開就熄滅，適用于感應(yīng)式水龍燈。把LED指示燈接在P1.6接口上時，它
是鎖存感應(yīng)開關(guān)，即感應(yīng)開關(guān)觸發(fā)1次LED燈亮，2次觸發(fā)時LED燈滅，適用于感應(yīng)式電燈開關(guān)。如果把LED指示燈改換成繼電器，就可以用來控制其他電器了。電器可以是任何你想得到的東西，相信你和我一樣，早就有過這樣的夢想。現(xiàn)在是實現(xiàn)它的時候了。
除了實用的開關(guān)改裝計劃，紅外感應(yīng)開關(guān)還可以把家居生活變成科幻電影。一張可以感應(yīng)你的桌子會不會震驚四座呢？普通桌子的上表面嵌著一塊磨砂玻璃板，當(dāng)桌面空空的時候，桌子沒有什么特別?？墒钱?dāng)我們把手、杯子或報紙放在上面時，相應(yīng)的位置就會發(fā)出光來。原來，玻璃下面安裝了數(shù)百個LED燈和感應(yīng)裝置，只要桌子感應(yīng)到有東西放在上面，就會讓單片機控制對應(yīng)位置的LED燈點亮。變換單片機的程序還可以玩出更多的花樣呢。
如果用我的這款紅外感應(yīng)開關(guān)是不是也可以實現(xiàn)這部科幻作品呢？在撰寫本文的時候，我也同時在研究這項技術(shù)，希望可以用我們常用的單片機來實現(xiàn)，如果真能實現(xiàn)，我再另寫文章與各位分享。那桌子、那感應(yīng)式電燈都將成為你的作品、你的精心之作。

關(guān)鍵問題與解決之道


從年少時廁所里紅外感應(yīng)開關(guān)初體驗，到傳統(tǒng)電路制作的原理及問題，再到用單片機實現(xiàn)更穩(wěn)定的感應(yīng)開關(guān)設(shè)計，直至感應(yīng)開關(guān)在電器開關(guān)和感應(yīng)桌面上的應(yīng)用。紅外感應(yīng)開關(guān)已經(jīng)逐漸從廁所走向了客廳，從復(fù)雜走向了精簡，從波動走向了穩(wěn)定。那么有誰想知道單片機是怎么做到穩(wěn)定感應(yīng)的呢？其中的奧秘又是什么呢？這里就把一些技術(shù)實現(xiàn)的基本原理與諸位分享。如果你有更好的方案和改進意見，或者你是這方面資深的專家，歡迎各路英豪與我交流。閑話少說，小弟這里獻丑了哈！

1.如何去除環(huán)境光的干擾？

與之前的調(diào)制解調(diào)的方式不同，在使用ADC功能之后，另一種解決方案會讓測試更有效率。那就是使用雙重檢測方法。前提條件是，單片機可以控制紅外發(fā)光二極管的開關(guān)。首先，要使用ADC功能讀出接在ADC接口上電壓的模擬量，數(shù)值從0到255（十進制）。紅外光敏二極管接收的紅外光線強時，ADC讀出的數(shù)值就大，反之就小。我們要做的就是，控制紅外發(fā)光二極管在發(fā)光時讀一次ADC的數(shù)值，然后再讓紅外發(fā)光二極管熄滅，再讀一次ADC的數(shù)值。我們先假設(shè)沒有其他紅外光源的干擾，當(dāng)紅外發(fā)光二極管熄滅時，紅外光敏二極管應(yīng)該檢測不到光源，ADC讀出的數(shù)值也應(yīng)該為0；當(dāng)紅外發(fā)光二極管點亮，且沒有反射物體時，ADC讀出的值也應(yīng)該很小，接近于為0；當(dāng)有反射物體時，紅外光敏二極管檢測到光源，ADC讀出的數(shù)值會變大。如果存在其他光源的干擾，那么當(dāng)紅外發(fā)光二極管熄滅時，也會讀到較大的數(shù)值。雙重檢測讀出的數(shù)值的差距越大，表示干擾光源越弱，反之則越強。我們通過這種雙重檢測，就可以判斷接收到的紅外光是不是發(fā)射端發(fā)出來的了，兩次檢測的數(shù)值之差就是我們需要的最終數(shù)值。最終數(shù)值將參與下面的算法處理，也是我們判斷和處理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。單片機需要控制紅外發(fā)光二極管高速開關(guān)，以便更快地采集數(shù)據(jù)。

最終數(shù)值=紅外發(fā)光二極管點亮?xí)rADC讀出的數(shù)值-紅外發(fā)光二極管熄滅時ADC讀出的數(shù)值

2.如何解決臨界點的感應(yīng)波動問題？

微微向前一點就觸發(fā)，微微向后一點就關(guān)斷，這是臨界點問題的困擾。問題的根源在于，觸發(fā)的臨界點和關(guān)斷的臨界點是同一個距離。只要在基于單片機系統(tǒng)中把這兩個臨界點分開，這個問題就可迎刃而解。我們知道，單片機需要處理的數(shù)據(jù)是“最終數(shù)值”，它是紅外發(fā)光二極管開、關(guān)狀態(tài)時ADC讀出的數(shù)值之差。最終數(shù)值也是一個從0到255之間不斷變化的變量。反射物理離傳感器越近，“最終數(shù)值”就越大。如果我們在程序里設(shè)置，當(dāng)“最終數(shù)值”大于某一值時（例如200）就觸發(fā)開關(guān)，小于這一值時就關(guān)斷開關(guān)，那么這樣編程的效果就是單一臨界點的不穩(wěn)定開關(guān)。單片機既然都可以模仿不穩(wěn)定的開關(guān)，自然也很容易創(chuàng)造穩(wěn)定的開關(guān)了！只要寫一下程序的設(shè)置就可以很輕松地讓它變得穩(wěn)定。雙臨界點的設(shè)計只需要兩個數(shù)值的條件判斷：當(dāng)“最終數(shù)值”大于某一值時（例如200）就觸發(fā)開關(guān)，當(dāng)“最終數(shù)值”小于另一個數(shù)值時（例如150）就關(guān)斷開關(guān)。這樣一來，在150和200之間就會創(chuàng)建一塊中間區(qū)域。當(dāng)反射物理在這個區(qū)域前后移動時，開關(guān)仍保持其原來的狀態(tài)，或判斷、或觸發(fā)。這種雙臨界點的設(shè)計，其實是給反射物體一個活動空間，對反射物體的穩(wěn)定性要求降低了，系統(tǒng)狀態(tài)就自然穩(wěn)定了下來。在實際調(diào)試過程中，可以根據(jù)應(yīng)用的需要修改雙臨界點的兩個數(shù)值。比如做自動水龍頭時，手的移動范圍較大，所以應(yīng)該留出較大的活動區(qū)域。如果是做自動尋跡小車的傳感器，則可以用較小的活動區(qū)域，甚至改用單臨界點來實現(xiàn)。雙臨界點的設(shè)計是有啟發(fā)性的，你可以利用此設(shè)計來做更多的事情，或者用在其他傳感器的穩(wěn)定性設(shè)計之中。

3.如何增加感應(yīng)的成功率和可靠性？

“最終數(shù)值”處理和雙臨界點設(shè)計都可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在多次數(shù)據(jù)采集中，出現(xiàn)幾次失敗和誤差是很正常的事情。但如果這些誤差左右了開關(guān)的狀態(tài)，那么這種失敗又由誰來負責(zé)呢？我寫的文章錯別字很多，雜志社的編輯老師都說我無藥可救了。當(dāng)你看到本文時，你要知道一件事，那就是已經(jīng)有好幾位編輯老師瞪大眼睛幫我改掉了文中的錯別字。最后大家看到的才是精美而通順的文章。在感謝編輯老師的同時，我也要為我們的紅外感應(yīng)開關(guān)配備幾位“編輯老師”，給采集到的數(shù)據(jù)把關(guān)。一旦出現(xiàn)錯誤，就放棄當(dāng)前的數(shù)據(jù)，重新采集，這種設(shè)計其實就是一種冗余。我在程序中設(shè)計了一段循環(huán)檢測語句，連續(xù)20次檢測和判斷采集到的數(shù)據(jù)，如果20次中有1次誤差就馬上放棄當(dāng)前的所有數(shù)據(jù)，重新檢測。連續(xù)20次檢測已經(jīng)算是很穩(wěn)定的了，當(dāng)然你也可以為了更穩(wěn)定而改用連續(xù)50次、100次的檢測，但是系統(tǒng)的反應(yīng)速度會變慢，靈敏度也會下降。靈敏度和穩(wěn)定度之間的矛盾是剛性的，在實際測試中找到適合目標(biāo)系統(tǒng)的檢測次數(shù)就可以了?！白罱K數(shù)值”、雙臨界點和20次連續(xù)檢測聽上去好像是很復(fù)雜的事情，可是在程序里只是很簡單的幾條語句。設(shè)計的重點不在于程序的復(fù)雜性，而是整個系統(tǒng)的設(shè)計思路。下面列出一段關(guān)鍵程序部分與大家分享，這個簡單的程序包含了上述的3種抗干擾設(shè)計。

4.如何增大感應(yīng)距離？

經(jīng)過實驗證明，基于單片機的紅外傳感器的感應(yīng)距離和單片機的ADC精度、雙臨界點數(shù)值、紅外發(fā)光二極管的功率、紅外光敏二極管的靈敏度，均和反射物理的反光效果有關(guān)，一般的感應(yīng)距離不會超過20cm。不過，對于開關(guān)感應(yīng)開關(guān)的設(shè)計已經(jīng)足夠了。要想增加感應(yīng)距離，可以對以下幾方面進行改進。只是，更遠的感應(yīng)距離反而會讓系統(tǒng)產(chǎn)生許多
RAM_H=Read_ADC;//讀出LED亮?xí)rADC端口的值
RAM_L=Read_ADC;//讀出LED滅時ADC端口的值
RAM_H=RAM_H-RAM_L;//取2次檢測值之差，避開環(huán)境光干擾if(RAM_H>0x06){//開啟時的距離（應(yīng)該小于關(guān)閉時的距離）CON++;//計數(shù)加1
CON2=0;
if(CON>20){//連續(xù)20次檢測，以避開干擾
CON=0;
LED_Y=0;//LED指示燈點亮
}
}
if(RAM_H0x03){//關(guān)閉時的距離
CON2++;CON=0;if(CON2>20){CON2=0;
LED_Y=1;//LED指示燈熄滅
}
}
“最終數(shù)值”、雙臨界點和20次連續(xù)檢測的程序部分

不確定因素，效果反而不佳。如果在某些特殊情況還需要更遠的傳送距離，我們就要用新的軟硬件方案來應(yīng)對了。
☆提高ADC精度，例如將8位ADC換成10位或12位ADC。
☆將雙臨界點的數(shù)值設(shè)置得更小。
☆用LED驅(qū)動電路提高紅外發(fā)光二極管的功率（即提高亮度）。
☆為紅外光敏二極管一端加裝信號放大電路。
☆盡量使用反光效果好的反射物體（如白紙、鏡面）。

5.如何進一步提升抗干擾能力？

最后一個問題，是同頻環(huán)境光的干擾。在我的實驗中，還沒有出現(xiàn)過這樣的問題，它只存在于理論推理中。但這種干擾的可能性并不為0，所以有必須說明一下。所謂的同頻干擾，就是假設(shè)紅外感應(yīng)開關(guān)的周圍正好存在這么一個紅外光源，它也按一定的頻率點亮和熄滅，而這一頻率正好和紅外感應(yīng)開關(guān)中紅外發(fā)光二極管的亮、滅頻率一致，且周期相同。這種巧合并不只是彩票頭獎的幸運觀眾才能遇見的，當(dāng)多個紅外感應(yīng)開關(guān)在較近的距離內(nèi)同時使用時，問題就自然會出現(xiàn)。如果它們之間的距離不能改變，那就只有用跳頻的方法來解決了。跳頻技術(shù)在移動電話和無繩電話機上已經(jīng)成為必備的功能，為了防止竊聽或當(dāng)某一頻道被占用時，電話機會自動切換到別的頻道，讓通信更穩(wěn)定、可靠。對于紅外感應(yīng)開關(guān)來說，跳頻并沒有那么復(fù)雜，只要在程序中不斷改變紅外發(fā)光二極管的亮、滅時間，用不同的頻率去檢測，其他干擾光源也以相同頻率跳變的機會就少之又少了，再加上前面介紹的20次連續(xù)檢測功能，再遇見干擾的可能性就幾乎為0了。
增加以上5項功能，系統(tǒng)的穩(wěn)定性達到了巔峰，而如此穩(wěn)定的設(shè)計卻絲毫沒有改變硬件制作。仍然是那幾種元器件，穩(wěn)定與否全看程序的設(shè)計。單片機就是這么神奇，創(chuàng)造優(yōu)良性能于無形之中，帶你體驗精簡設(shè)計的內(nèi)在之力。


更遠距離的對射傳感器方案

還有一種情況，是應(yīng)用上的需要。如果使用紅外感應(yīng)開關(guān)來制作賽跑的電子終點線，將紅外發(fā)射管和接收管分別安裝在跑道的兩端會是更好的解決方案。平時終點線上沒有障礙物，發(fā)射的紅外信號輕松地被接收。當(dāng)有人通過終點線時，人的身體擋住了紅外光的路線，接收端收不到信號而觸發(fā)開關(guān)，完成比賽的計時。同樣的設(shè)計還可以用作防盜報警器。這種對射式的傳感器需要很遠的傳送距離，一般需要2~5m。如果是這種應(yīng)用，就需要改變軟硬件方案，38kHz調(diào)制紅外線不是很好的解決方案。利用單片機產(chǎn)生38kHz的調(diào)制紅外線信號，接收端使用具有集信號解調(diào)、放大和輸出于一體的紅外傳感器TSOP1838。電路設(shè)計同樣精簡，而對射有效距離可以達到7~10m。相關(guān)的技術(shù)正在被我研究著，這里算是拋磚引玉，希望給正在研究此技術(shù)的朋友一點幫助。發(fā)揮你的才能，把這項技術(shù)運用到生活之中。制作自動干手機、感應(yīng)水龍頭、感應(yīng)電燈開關(guān)、智能尋跡小車、防盜報警器、感應(yīng)桌面、比賽計時器等?；趩纹瑱C的紅外感應(yīng)開關(guān)將成為你電子競賽、產(chǎn)品設(shè)計、趣味DIY的必備佳品。這就是紅外感應(yīng)開關(guān)的創(chuàng)新制作，可以簡單穩(wěn)定地感應(yīng)你。