反射式光电开关侦测原理及应用
一、简介：
随着科技进步，各种电子产品的自动化程度也跟着提高，自动化程度越高的产品，代表也包含了更多的感测组件。
为了避免人眼被环境中各种产品或设备感测时发射的光干扰，所以使用人眼无法察觉的红外线(Infrared; IR)产品做为
传感器。这份应用手册将会介绍如何利用红外线发射组件(Infrared Emitter)及红外线接收组件(Infrared Receiver)作
物体侦测应用。*常见的红外线发射及接收组件就是红外线发光二极管(IRLight-emitting diode;IR LED)及光三极管
(Photo Transistor; PT)，图一为基本的IR LED搭配PT的应用电路。
图一、IR LED及PT基本应用电路
原理说明：
*IR LED为发射端，顺向电流(Forward current; IF)越大发射的辐射强度越大。
*PT为接收端，收到的辐照度越大，产生的光电流IC(on)越大。
*调整Rlimit值可控制IF的大小。
*调整RL值可控制Vout的大小。
*Vout可接MCU的ADC(Analog-to-Digital Converter)或GPIO做准位判断。
判断说明：
*无辐照度时，PT截止，Vout输出为高电平(Vcc)
*辐照度低时，PT导通，Vout输出为高电平(Vcc –(Ic x RL))
*辐照度高时，PT饱和，Vout输出为低电平(VCE(sat))
注：VCE(sat)为PT饱和电压。
二、利用反射式 ITR 做物体侦测方法：
IR LED 通常和 PT 一起搭配作为物体侦测或是遮断侦测应用。图二为利用 IR LED 发射 IR 经由物 体反射到 PT 做反射式物体侦测的示意图；为了避免 IR LED 发射的 IR 不经过物体反射，直接在机构 内照射到 PT 造成误判，所以 IR LED 跟 PT 必须有效隔离。利用底下的两项特性，即可做到反射物的 距离侦测。
* 反射物距离越近，PT 收到的反射辐照度越强，输出的电流会越高。
* 不同的材料会有不同的反射率，一般颜色越深、表面越粗糙的物体反射率越低，同距离情况下，
接收端输出的电流相对会降低。
图二、反射物的距离及材质对物体侦测的影响
图三、自带隔离机构的 IR LED+PT 组合组件 ITR
若使用直流(Direct current; DC)的侦测方式，在 ITR 被环境光照射时容易造成误判。原因是 PT 端无法分辨接收到的辐照度是来自于环境光，还是 IR 经物体反射。改善方式如图四，把 IR 的发射方 式从 DC 改为脉冲(Pulse)，然后 PT 需分别侦测每次 IR Off 及 IR On 时的电压值 Vout(Off)及 Vout(On)， 此时 Vout(Off)就代表环境光造成的偏移值(Offset)，Vout(On)代表的则是环境光加上 IR 发射时的电 压值，故 Vout(On)和 Vout(Off)之间的电压差就是单纯 IR 发射时造成的电压值。此方式除了可以降 低环境光的干扰，也因为 IR 的发射是利用 Pulse 短时间点亮，故可以利用更强的电流驱动来侦测更远 的距离。
图四、改善环境光干扰的方式
图五为 PT 实际输出波形的例子，可发现在 IR 从 On 切换到 Off 时，PT 会有一段延迟时间，故 在取样 Vout(Off)时，需确认 PT 输出电压已经稳定，避免后续计算物体侦测变异量时造成误判。
图五、PT 的输出电压波形侦测
三、实例参考
图六为一应用电路图范例，利用 MCU 的 GPIO 控制 MOSFET 的开、关来控制 IR 发射脉冲，并 把 Vout 接到 MCU 的 ADC 接脚；利用调整 R limit、RL 的电阻值来确认物体侦测的距离，*后利用 ADC 读取的 Vout(Off)及 Vout(On)差异值来设定物体侦测的阀值。
参考图四的方式控制 GPIO 及参考图五的波形作 ADC 取样时间设定，底下以使用亿光 ITR20001/T24 (Bin K)为例，IR on 时间长度为 350us，在 300us 时取样 Vout(On)，IR Off 时间长度 为 50ms，在 6ms 时取样 Vout(Off)。Vcc = 5V，R limit= 82 ohm(IF ≒ 50mA)，RL= 150k ohm。 建议阀值可设定在 ADC *大值的 1/3 左右，此 1/3 值是为了保留给光干扰的 Offset 使用，此值设定 越大抗光干扰能力越强，但物体侦测范围会相对降低。图七为采上述方式设定，并把 Vout 接到 ADC 后，对不同侦测物的比较(Y 轴为 Vout(Off)与 Vout(On)差异的 ADC 读值)。由图中可看出反射物颜色 越浅反射量越高，可侦测的距离范围越大，一般会折中以灰卡做设计参考，以此图为例，灰卡的可判 断的范围约为 0.1~6cm，黑卡为 0.1~3.5cm，白卡为 0.1~9.5cm。
图八为反射物灰卡配合 150k ohm 的 RL 做改变 IF 的测试，可发现当 IF 增加到 100mA 时，可判 断的范围会增加为 0.1~9cm。
图九为反射物灰卡配合 50mA 的 IF 做改变 RL 的测试，可发现当 RL 降低到 68k ohm 时，可判断 的范围会降低到 0.1~4.5cm。
注：1. 若侦测物体跟 ITR 完全密合，因无反射路径会使反射值为零。
2. 以上测试结果都是以 ITR 上方不加盖板(单体裸测)。
图六、应用电路图
图七、不同颜色待测物对 ADC 读值影响
图八、不同 IF 对侦测距离的影响
图九、不同 RL 对侦测距离的影响
四、结论
调整 IF 或 RL 可以调整物体侦测距离，若想增加侦测距离且无功耗考虑，建议以增加 IF 优先，因 加大 RL 同时也会增加光干扰的强度；若是要降低侦测距离则以降低 RL 电阻值优先，同时降低环境光 干扰。
五、推荐型号：
ITR9909,ITR9908,ITR20001/T,ST188 WASF,RPR220,ITR1502SR40A
本应用手册信息仅提供客户设计参考，实际使用请客户自行验证，若有其他问题请与新亿彩电子联系取得进一步技术支持。