Photointerrupter;ITR

自動化程度越高的產品，代表也包含了更多的感測元件。為了避免人眼被環境中各種產品或設備感測時發射的光干擾，所以使用人眼無法察覺的紅外線（Infrared;IR）產品做為感測器。這份應用手冊將會介紹如何利用紅外線發射元件（Infrared Emitter）及紅外線接收元件（Infrared Receiver）作物體偵測應用。     

最常見的紅外線發射及接收元件就是紅外線發光二極管（IR Light-emitting diode;IR LED）及光電晶體管（Photo Transistor;PT），圖一為基本的IR LED搭配PT的應用電路。

原理說明：

• IR LED為發射端，順向電流（Forward current;IF）越大發射的輻射強度越大

• 調整R limit值可控制 IF 的大小

• Vout可接MCU的ADC（Analog-to-Digital Converter）或GPIO做準位判斷

判斷說明：

• 無輻照度時，PT截止，Vout輸出為高電位（Vcc）

• 輻照度低時，PT導通，Vout輸出為高電位（Vcc–（Ic x RL））

• 輻照度高時，PT飽和，Vout輸出為低電位（VCE（sat））

注：V CE（sat）為PT飽和電壓。

圖二為利用IR LED發射IR經由物體反射到PT做反射式物體偵測的示意圖；為了避免IR LED發射的IR不經過物體反射，直接在機構內照射到PT造成誤判，所以IR LED跟PT必須有效隔離。利用底下的兩項特性，即可做到反射物的距離偵測。

• 反射物距離越近，PT收到的反射輻照度越強，輸出的電流會越高

• 不同的材料會有不同的反射率，一般顏色越深、表面越粗糙的物體反射率越低，同距離情況下，接收端輸出的電流相對會降低

若使用直流（Direct current;DC）的偵測方式，在ITR被環境光照射時容易造成誤判。原因是PT端無法分辨接收到的輻照度是來自于環境光，還是IR經物體反射。改善方式如圖四，把IR的發射方式從DC改為脈沖（Pulse），然后PT需分別偵測每次IR Off及IR On時的電壓值Vout（Off）及Vout（On），此時Vout（Off）就代表環境光造成的偏移值（Offset），Vout（On）代表的則是環境光加上IR發射時的電壓值，故Vout（On）和Vout（Off）之間的電壓差就是單純IR發射時造成的電壓值。此方式除了可以降低環境光的干擾，也因為IR的發射是利用Pulse短時間點亮，故可以利用更強的電流驅動來偵測更遠的距離。

圖六為一應用電路圖示例，利用MCU的GPIO控制MOSFET的開、關來控制IR發射脈沖，并把Vout接到MCU的ADC接腳；利用調整R limit、RL的電阻值來確認物體偵測的距離，最后利用ADC讀取的Vout（Off）及Vout（On）差異值來設定物體偵測的閥值。

參考圖四的方式控制GPIO及參考圖五的波形作ADC取樣時間設定，底下以使用億光ITR20001/T24（Bin K）為例，IR on時間長度為350us，在300us時取樣Vout（On），IR Off時間長度為50ms，在6ms時取樣Vout（Off）。Vcc = 5V，R limit= 82 ohm（IF≒50mA），RL= 150k ohm。建議閥值可設定在ADC最大值的1/3左右，此1/3值是為了保留給光干擾的Offset使用，此值設定越大抗光干擾能力越強，但物體偵測范圍會相對降低。圖七為采上述方式設定，并把Vout接到ADC后，對不同偵測物的比較（Y軸為Vout（Off）與Vout（On）差異的ADC讀值）。由圖中可看出反射物顏色越淺反射量越高，可偵測的距離范圍越大，一般會折中以灰卡做設計參考，以此圖為例，灰卡的可判斷的范圍約為0.1~6cm，黑卡為0.1~3.5cm，白卡為0.1~9.5cm。

圖八為反射物灰卡配合150k ohm的RL做改變IF的測試，可發現當IF增加到100mA時，可判斷的范圍會增加為0.1~9cm。

圖九為反射物灰卡配合50mA的IF做改變RL的測試，可發現當RL降低到68k ohm時，可判斷的范圍會降低到0.1~4.5cm。

注： 1.若偵測物體跟ITR完全密合，因無反射路徑會使反射值為零

   2.以上測試結果都是以ITR上方不加蓋板（單體裸測）

總   結

 調整IF或RL可以調整物體偵測距離，若想增加偵測距離且無功耗考察，建議以增加I F優先，因加大RL同時也會增加光干擾的強度；若是要降低偵測距離則以降低R L電阻值優先，同時降低環境光干擾。