一種高可靠小車(chē)紅外光循跡電路的設計方案

　　0 引言

　　歷屆全國大學(xué)生電子設計競賽、全國職業(yè)院校大學(xué)生職業(yè)技能競賽幾乎都包含小車(chē)類(lèi)的賽題。小車(chē)類(lèi)賽題大部分又都有循跡的要求。循跡的方法一般可分為光控循跡、攝像循跡控兩類(lèi)。光控循跡成本低、軟件設計較為簡(jiǎn)單，設計制作周期短;攝像控循跡則相反：成本高，軟件設計復雜，設計制作周期長(cháng)。小車(chē)采用傳統光循跡電路的兩點(diǎn)不足也是顯而易見(jiàn)的：一是容易受環(huán)境光線(xiàn)的影響而照成誤判;另一點(diǎn)是由于光衍射現象的存在又容易被相鄰的光敏管接收而造成誤判。本文就此兩點(diǎn)不足提出一種高可靠小車(chē)紅外光循跡電路的設計方案以解決此問(wèn)題。

　　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。

　　一路傳統簡(jiǎn)易循跡電路圖如圖3所示。

　　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。