37款傳感器與執(zhí)行器的提法，在網(wǎng)絡上廣泛流傳，其實Arduino能夠兼容的傳感器模塊肯定是不止這37種的。鑒于本人手頭積累了一些傳感器和執(zhí)行器模塊，依照實踐出真知（一定要動手做）的理念，以學習和交流為目的，這里準備逐一動手嘗試系列實驗，不管成功（程序走通）與否，都會記錄下來—小小的進步或是搞不掂的問題，希望能夠拋磚引玉。

【Arduino】168種傳感器模塊系列實驗（資料代碼+仿真編程+圖形編程）

實驗一百二十六：夏普GP2Y0A02YK0F 紅外測距傳感器模塊 20-150cm 距離傳感器

紅外
是紅外線的簡稱，它是一種電磁波。它可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。自1800年被發(fā)現(xiàn)以來，得到很普遍的應用，如紅外線鼠標，紅外線打印機，紅外線鍵盤等等。紅外的特征：紅外傳輸是一種點對點的傳輸方式，無線，不能離的太遠，要對準方向，且中間不能有障礙物也就是不能穿墻而過，幾乎無法控制信息傳輸?shù)倪M度；IrDA已經(jīng)是一套標準，IR收/發(fā)的組件也是標準化產(chǎn)品。

紅外線（Infrared）
紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，由英國科學家赫歇爾于1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射，熱作用強。他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計，試圖測量各種顏色的光的加熱效應。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，位于紅光外側(cè)的那支溫度計升溫最快。因此得到結(jié)論：太陽光譜中，紅光的外側(cè)必定存在看不見的光線，這就是紅外線。也可以當作傳輸之媒介。 太陽光譜上紅外線的波長大于可見光線，波長為0.75～1000μm。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為(0.75-1)～(2.5-3)μm之間；中紅外線，波長為(2.5-3)～(25-40)μm之間；遠紅外線，波長為(25-40)～l500μm 之間。

紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，波長在1mm到760納米（nm）之間，比紅光長的非可見光。高于絕對零度（-273.15℃）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線?，F(xiàn)代物理學稱之為熱射線。醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠紅外線。含熱能，太陽的熱量主要通過紅外線傳到地球。我們把紅光之外的輻射叫做紅外線（紫光之外是紫外線），肉眼不可見。

紅外線的發(fā)現(xiàn)：公元1800年英國科學家"威廉·赫歇爾"發(fā)現(xiàn)太陽光中的紅光外側(cè)所圍繞著一種用肉眼無法看見的光源，波長介于5.6-1000μm的「遠紅外線」，經(jīng)過這種光源照射時，會對有機體產(chǎn)生放射、穿透、吸收、共振的效果。美國太空總部(NASA)研究報告指出，在紅外線內(nèi)，對人體有幫助4-14微米的遠紅外線，從內(nèi)部發(fā)熱，從體內(nèi)作用促進微血管的擴張，使血液循環(huán)順暢，達到新陳代謝的目的，進而增加身體的免疫力及治愈率。 但是根據(jù)黑體輻射理論，一般的材料要產(chǎn)生足夠強度的遠紅外線，并不容易，通常必須藉助特殊物質(zhì)作能量的轉(zhuǎn)換，將它所吸收的熱量經(jīng)由內(nèi)部分子的振動再發(fā)放較長波長的遠紅外線出來。

紅外測距
隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，在測距領(lǐng)域也先后出現(xiàn)了激光測距、微波雷達測距、超聲波測距及紅外線測距等方式。作為一種應用廣泛、測量精度高的測量方式，紅外測距利用紅外線傳播時不擴散、折射率小的特性，根據(jù)紅外線從發(fā)射模塊發(fā)出到被物體反射回來被接受模塊接受所需要的時間，采用相應的測距公式來實現(xiàn)對物體距離的測量。紅外測距最早出現(xiàn)于上世紀60年代，是一種以紅外線作為傳輸介質(zhì)的測量方法。紅外測距的研究有著非比尋常的意義，其本身具有其他測距方式?jīng)]有的特點，技術(shù)難度相對不大，系統(tǒng)構(gòu)成成本較低、性能良好、使用方便、簡單，對各行各業(yè)均有著不可或缺的貢獻，因而其市場需求量更大，發(fā)展空間更廣。其工作原理是，利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到機器人主機，機器人即可利用紅外的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。

GP2Y0A02YK0F
是夏普的一款距離測量傳感器模塊。它由PSD（位置靈敏探測器）和IRED 紅外發(fā)射二極管）以及信號處理電路三部分組成。由于采用了三角測量方法，被測物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測量時間都不會影響傳感器的測量精度。傳感器輸出電壓值對應探測的距離。通過測量電壓值就可以得出所探測物體的距離，所以這款傳感器可以用于距離測量、避障等場合。

三角測量法

是通過測量目標點與固定基準線的已知端點角度來測量觀測目標的距離。三角測量運用到天文測距時，可以根據(jù)地球自轉(zhuǎn)一天或一周時與觀測目標產(chǎn)生的視覺差距，也稱作“周日地平視差”，來計算地月距離，此方法因地球半徑長度限制，只適合測量太陽系內(nèi)天體間的距離。光學三角測量法是一種最常用的一種光學三維測量技術(shù)，以傳統(tǒng)的三角測量為基礎，通過待測點相對于光學光學基準線偏移產(chǎn)生的角度變化計算該點的深度信息。根據(jù)具體的照明方式的不同，三角法可以分為被動三角法和主動三角法。

紅外傳感器基于三角測量原理。紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當遇 到物體以后，光束會反射回來，如圖所示。反射回來的紅外光線被 CCD 檢測器檢測到以后，會獲得一 個偏移值 L，利用三角關(guān)系，在知道了發(fā)射角度 a，偏移距 L，中心矩 X，以及濾鏡的焦距 f 以后，傳感器 到物體的距離 D 就可以通過幾何關(guān)系計算出來了。

非線性輸出

該系列的傳感器的輸出是非線性的。每個型號的輸出曲線都不同。所以，在實際使用前，最 好能對所使用的傳感器進行一下校正。對每個型號的傳感器創(chuàng)建一張曲線圖，以便在實際使用中獲得真實 有效的測量數(shù)據(jù)。下圖是典型的輸出曲線圖。

可以看到，當 D 的距離足夠近的時候，L 值會相當大，超過 CCD 的探測范圍，這時，雖然物體很近，但 是傳感器反而看不到了。當物體距離 D 很大時，L 值就會很小。這時 CCD 檢測器能否分辨得出這個很小 的 L 值成為關(guān)鍵，也就是說 CCD 的分辨率決定能不能獲得足夠精確的 L 值。要檢測越是遠的物體，CCD 的分辨率要求就越高。

從上圖中，可以看到，當被探測物體的距離小于 10cm 的時候，輸出電壓急劇下降，也就是說從電壓讀數(shù) 來看，物體的距離應該是越來越遠了。但是實際上并不是這樣的，想象一下，你的機器人本來正在慢慢的 靠近障礙物，突然發(fā)現(xiàn)障礙物消失了，一般來說，你的控制程序會讓你的機器人以全速移動，結(jié)果就是，" 砰"的一聲。當然了，解決這個方法也不是沒有，這里有個小技巧。只需要改變一下傳感器的安裝位置，使 它到機器人的外圍的距離大于最小探測距離就可以了。如下圖所示。

紅外測距傳感器特點
　　1）遠距離測量，在無反光板和反射率低的情況下能測量較遠的距離;
　　2）有同步輸入端，可多個傳感器同步測量;
　　3） 測量范圍廣，響應時間短;
　　4） 外形設計緊湊，易于安裝，便于操作。

紅外測距傳感器應用
　　近期來全球自然災害頻發(fā)，像近期的四川、智利的大地震、日本海嘯，嚴重影響人類生命安全，而二次災難又對營救者帶來了極大的風險，這時搜救機器人就可以很好的代替營救者來搜救被困人群。傳感器是搜救機器人不可缺少的器件，機器人上有很多種傳感器，其中就有紅外測距傳感器。
　　運動能力、感知能力、通訊能力和作業(yè)能力等幾個方面能力是搜救機器人必須具備的。搜救機器人的通訊作業(yè)能力需要依靠機器人良好的運動能力和感知能力，而機器人的運動能力和感知能力是建立在傳感器的有效發(fā)揮上的。紅外傳感器在搜救機器人上的應用相當于人眼的功能，利用的紅外測距傳感器發(fā)射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個反射的過程，反射到傳感器后接收信號，然后利用圖像處理接收發(fā)射與接收的時間差的數(shù)據(jù)。經(jīng)信號處理器處理后計算出物體的距離。這不僅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。測量距離遠，很高的頻率響應，適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境中。
　　機器人一只是近年來的熱點，機器人能做許多人所不能的事，尤其是在面臨大災難后的搜救工作時，機器人就發(fā)揮出巨大的作用，機器人的功能是在傳感器的基礎上發(fā)展出來的，所以只有先進的傳感器技術(shù)才能制作出高性能的機器人。

●光學建議
?該設備的鏡頭需要保持清潔。有灰塵、水或油等變質(zhì)的情況，這個裝置的特性。請在實際應用中考慮。
?請不要洗。清洗會使光學系統(tǒng)的性能惡化等。
請確認在實際使用中對化學品的耐受性，因為本產(chǎn)品不是針對洗滌而設計的。

●特性建議
?如果在發(fā)射器和探測器部分前面設置了光學濾波器，則具有發(fā)光二極管發(fā)射波長范圍（λ=850±70nm）的有效透過率應為推薦使用。濾光片的兩面應為鏡面拋光。而且，在某些情況下，根據(jù)防護罩與本產(chǎn)品之間的距離或防護罩，請在實際使用中充分確認操作后使用。如果傳感器和檢測對象之間的傳感器的發(fā)射極附近有一個物體，請使用這個設備在充分確認該傳感器的特性不會被物體改變之后。
?當探測器暴露在陽光、鎢燈等的直射光下時，有些情況下它不能精確測量距離。請考慮探測器的設計，使其不受來自光源。
?有時不能精確測量鏡面反射鏡的距離。如果改變本產(chǎn)品的安裝角度，可以精確測量距離。
?如果反射物體的邊界線與材料或顏色等相差過大，以便減小測量距離偏差，建議設置傳感器發(fā)射中心和探測器中心之間的連線是平行的。

Arduino實驗接線示意圖

Arduino實驗開源代碼

實驗串口返回情況

Arduino實驗開源代碼之二

實驗串口返回情況

Arduino實驗開源代碼之三

實驗串口返回情況

實驗開源圖形編程（Mind+、編玩邊學）

實驗開源仿真編程（Linkboy V4.62）