一種高可靠小車(chē)紅外光循跡電路的設(shè)計(jì)方案

歷屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)職業(yè)院校大學(xué)生職業(yè)技能競(jìng)賽、飛思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)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(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)制作周期短;攝像控循跡則相反：成本高，軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)制作周期長(zhǎng)。小車(chē)采用傳統(tǒng)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(xiàn)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(shè)計(jì)方案以解決此問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)光循跡小車(chē)電路結(jié)構(gòu)

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(shí)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(guó)職業(yè)院校大學(xué)生職業(yè)技能競(jìng)賽月球車(chē)競(jìng)賽項(xiàng)目湖南賽區(qū)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(cè)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(shù)量越多越密，控制小車(chē)跑起來(lái)越穩(wěn)，但編程時(shí)算法越復(fù)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(shè)計(jì)。

1.2 傳統(tǒng)循跡小車(chē)紅外光發(fā)射、接收電路

傳統(tǒng)的紅外光發(fā)射、接收電路的發(fā)射部分用直流電流驅(qū)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(diào)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(tǒng)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(dāng)環(huán)境光線(xiàn)較強(qiáng)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(duì)管的光衍射干擾。

2 紅外光循跡設(shè)計(jì)原則

2.1 選擇合適的光發(fā)射驅(qū)動(dòng)電流

一般應(yīng)將發(fā)射電流設(shè)計(jì)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(qiáng)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(xiàn)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(diào)制發(fā)射。

2.2 脈沖調(diào)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(xiàn)出來(lái)的是直流分量，采取調(diào)制式[4]紅外發(fā)射措施后，調(diào)制接收電路接收的是調(diào)制信號(hào)，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(diào)制紅外光發(fā)射的優(yōu)勢(shì)

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(hào)的占空比降低而降低。降低紅外發(fā)光二極管發(fā)射信號(hào)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(dāng)于紅外發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度大大加強(qiáng)了，則抗干擾能力也進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.4 采取穩(wěn)定的38.5 kHz頻率調(diào)制發(fā)射的紅外光

紅外調(diào)制光信號(hào)在調(diào)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(wěn)定的38.5 kHz的調(diào)制頻率，應(yīng)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(diào)制信號(hào)，應(yīng)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(hào)作調(diào)制振蕩信號(hào);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