1 傳統光循跡小車(chē)電路結構
1.1 小車(chē)循跡簡(jiǎn)介
所謂小車(chē)循跡，就是在白紙上畫(huà)出黑色的線(xiàn)條，稱(chēng)為賽道；小車(chē)沿著(zhù)賽道按要求（可以做一些指定的任務(wù)）行進(jìn)時(shí)，能自動(dòng)識別賽道并按賽道線(xiàn)條行走，稱(chēng)為小車(chē)循跡。如圖1所示，該賽道是2010年全國職業(yè)院校大學(xué)生職業(yè)技能競賽月球車(chē)競賽項目湖南賽區賽道圖。
一般的，小車(chē)底部安裝一排（或幾排）紅外光發(fā)射、接收陣列用于檢測賽道，從而控制小車(chē)能沿線(xiàn)行走。光發(fā)射、接收陣列要與賽道成十字交叉排放，有的也做成弧形或倒“V”字型排放。這一排紅外光發(fā)射、接收陣列的數量越多越密，控制小車(chē)跑起來(lái)越穩，但編程時(shí)算法越復雜。一般少則四、五個(gè)，多則十來(lái)個(gè)，如圖2 所示。也可以采用雙排甚至多排設計。
1.2 傳統循跡小車(chē)紅外光發(fā)射、接收電路
傳統的紅外光發(fā)射、接收電路的發(fā)射部分用直流電流驅動(dòng)，接收部分采用比較器。比較器的一個(gè)比較點(diǎn)用電位器調整直流電位，另一個(gè)比較點(diǎn)接光敏管的輸出端，這種簡(jiǎn)易做法往往也能滿(mǎn)足簡(jiǎn)單比賽要求。但抗干擾能力較差。
一種傳統簡(jiǎn)易循跡電路圖如圖3所示。
圖3 一種傳統簡(jiǎn)易循跡電路圖
采用紅外光作發(fā)射接收的目的是為了減少環(huán)境光線(xiàn)的干擾，但若不采取輔助措施，當環(huán)境光線(xiàn)較強時(shí)，并不能很好的克服環(huán)境光線(xiàn)的干擾；另外，還需采取措施克服相鄰收發(fā)對管的光衍射干擾。
2 紅外光循跡設計原則
2.1 選擇合適的光發(fā)射驅動(dòng)電流
一般應將發(fā)射電流設計在發(fā)光二極管的最大正向電流允許值IF 上。發(fā)射的紅外光線(xiàn)強度提高了以后，環(huán)境光的紅外成份占總光線(xiàn)的比例就減小了，可以克服一部分環(huán)境光干擾。但是，過(guò)于提高發(fā)射光電流，會(huì )產(chǎn)生較大的熱量，使發(fā)射管光衰現象加劇。
要想既提高發(fā)射電流，又使發(fā)射管安全工作，則可以采用低占空比脈沖調制發(fā)射。
2.2 脈沖調制式紅外發(fā)射和紅外接收效果分析
環(huán)境光中的紅外成份表現出來(lái)的是直流分量，采取調制式［4］紅外發(fā)射措施后，調制接收電路接收的是調制信號，可以將環(huán)境光中的直流分量濾除。
2.3 采取低占空比脈沖調制紅外光發(fā)射的優(yōu)勢
紅外光敏三極管接收靈敏度并不因紅外發(fā)光二極管發(fā)射信號的占空比降低而降低。降低紅外發(fā)光二極管發(fā)射信號占空比后，可以在紅外發(fā)光二極管上施加較大電流，甚至可以大大超過(guò)紅外發(fā)光二極管的最大允許正向電流IF ，而不會(huì )損壞紅外發(fā)光二極管。增加的那部分電流相當于紅外發(fā)光二極管的發(fā)光強度大大加強了，則抗干擾能力也進(jìn)一步加強。
2.4 采取穩定的38.5 kHz頻率調制發(fā)射的紅外光
紅外調制光信號在調制頻率為38.5 kHz時(shí)，紅外光敏接收靈敏度最高。
為獲得較穩定的38.5 kHz的調制頻率，應避免用電阻、電容和電感等分立元件配合非線(xiàn)性器件組成振蕩電路作調制信號，應采用晶體振蕩器或有源晶體振蕩器配合非線(xiàn)性元器件作振蕩電路。
用晶體振蕩器作MCU 的外部晶體，用編程的方法啟動(dòng)38.5 kHz/10%~20%占空比的PWM 信號作調制振蕩信號；也可以用晶體振蕩器配合非線(xiàn)性器件進(jìn)行振蕩、分頻后獲得38.5 kHz/10%~20%頻率和占空比。
2.5 采用交流放大電路作紅外接收放大器
即使調制光受到環(huán)境光的淹沒(méi)，但是調制光并沒(méi)有因此而消失。接收信號后送交流放大器放大，被淹沒(méi)的調制光信號仍可得到復原，而直流成份的環(huán)境光被交流放大器阻擋，這就有效還原出了被淹沒(méi)的有效紅外光，克服了強環(huán)境光的干擾。
2.6 采用巡回開(kāi)通某一路發(fā)射接收克服光衍射
壓線(xiàn)的那一路原本不應該接收到信號，而相鄰沒(méi)壓線(xiàn)的那一路還在繼續發(fā)光。由于光衍射，相鄰沒(méi)壓線(xiàn)那一路發(fā)出的紅外光很容易衍射到壓線(xiàn)的那一路紅外接收管，導致判斷失誤，從而引起干擾。
當巡回開(kāi)通某一路時(shí)，任何時(shí)候只一路發(fā)光，檢測電路也僅接收這一路的信號，即使這時(shí)候發(fā)光的那一路衍射到壓線(xiàn)的接收電路，但MCU 并不去讀取被衍射的那一路。這就克服了相鄰通道的衍射干擾。這時(shí)要注意軟件設計時(shí)采集一個(gè)巡回的周期時(shí)間要恰當。
3 高可靠紅外光循跡電路設計
3.1 低占空比脈沖波38.5 kHz/10%~20%脈沖波形成
遵循2.4節設計原則，第一種方法采用具有PWM外設的單片機啟動(dòng)PWM 模塊產(chǎn)生脈沖波，不建議用純軟件產(chǎn)生該脈沖波。產(chǎn)生的波形應滿(mǎn)足圖4所示的時(shí)間參數要求。
圖4 MCU產(chǎn)生38.5kHz 10%的PWM脈沖波形
第二種方法采用有源晶振（可省去振蕩電路，簡(jiǎn)化電路設計）1.544 MHz（經(jīng)2 級二分頻）或11.059 2 MHz（經(jīng)5 級二分頻）后，分別產(chǎn)生386 kHz 或345.6 kHz 方波，后接十進(jìn)制計數/分配器或九進(jìn)制計數/分配器，從Q0~Q7任意引腳即可產(chǎn)生38.6 kHz/10%或38.4 kHz/11%占空比的脈沖波（脈沖頻率均誤差0.1 kHz，占空比一個(gè)是10%，一個(gè)是11%）。電路圖如圖5所示。
3.2 紅外光發(fā)射控制電路設計
小車(chē)紅外光循跡電路采用8路已經(jīng)可以滿(mǎn)足較復雜競賽的要求。按照設計原則2.6，矩形脈沖最好不要同時(shí)驅動(dòng)光發(fā)射電路，需要一路一路輪流發(fā)送并保持一段時(shí)間。
采用兩個(gè)74HC4081 四與門(mén)控制脈沖信號傳送給ULN2803八反向OC驅動(dòng)器驅動(dòng)紅外發(fā)光二極管，每一路可輸出500 mA.74HC4081 與門(mén)的另一個(gè)輸入端接MCU控制選通。如圖6所示。
圖6 控制脈沖驅動(dòng)發(fā)光二極管
紅外發(fā)射接收采用一體化封裝的TCRT5000對管，電流傳輸系數》20%，發(fā)射管最大持續允許電流IF 為60 mA，脈沖電流在1 μs/1%占空比時(shí)允許3 A.脈沖信號經(jīng)紅外發(fā)光管發(fā)射后，經(jīng)地面反射，送到光敏三極管從發(fā)射極輸出。如果地面為白色，絕大部分信號（脈沖）都能傳遞給光敏三極管；如果地面為黑色，光線(xiàn)被吸收，則幾乎沒(méi)有信號能傳遞給光敏三極管。
控制每一路持續工作的時(shí)間應保證讓紅外發(fā)光二極管發(fā)出10~20個(gè)脈沖，使后續解調器能可靠解調?？梢运愠鲅h(huán)一周共8路所需時(shí)間：
T=（［ 1 38.5 kHz）×（10~20）］×8=2.08~4.16 ms.
3.3 放大器電路設計
由于有8個(gè)光發(fā)送接收對管，圖6中僅顯示出1路，如果只想用一個(gè)放大器和后續的一個(gè)脈沖頻率解調器，則需要模擬開(kāi)關(guān)來(lái)一一選通。為了和圖6共用選通信號，采用兩片74HC4066（也可以用一片74HC4051，但這時(shí)就不能共用74HC4081選通信號了，既浪費了MCU的IO口，編程也較為復雜些）。
按2.5節所述要采用交流放大器的原則，這里采用零漂移雙運算放大器AD8552，一個(gè)單元接成反向比例運算電路，另一個(gè)單元實(shí)現輸出中點(diǎn)電位給放大電路作參考“地”。電路如圖7所示?？赏ㄟ^(guò)反饋電阻調整其放大倍數。
3.4 信號解調
信號解調采用標準38.5 kHz解調器CXA20106，裝置中增益控制和中心頻率控制用的電容器盡量采用精密低損耗無(wú)極性電容器，最好采用CBB 電容器。電路結構圖如圖8所示。
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