一種高可靠的紅外光循跡小車(chē)電路設計

本文針對小車(chē)采用傳統光循跡電路的兩點(diǎn)不足，提出了一種高可靠小車(chē)紅外光循跡電路的設計。該設計用低占空比強紅外光調制發(fā)射能克服環(huán)境光線(xiàn)的干擾;再對光接收信號進(jìn)行交流放大后解調能進(jìn)一步克服環(huán)境干擾;采用逐個(gè)循環(huán)發(fā)射、接收能克服光衍射對相鄰光敏管的干擾，最后給出設計的電路結構框圖及部分電路圖。經(jīng)分析該設計避免了傳統設計繁瑣的調試工作量，可以滿(mǎn)足各種環(huán)境光線(xiàn)的應用!

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。