一種高可靠的紅外光循跡小車電路設(shè)計(jì)

本文針對小車采用傳統(tǒng)光循跡電路的兩點(diǎn)不足，提出了一種高可靠小車紅外光循跡電路的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)用低占空比強(qiáng)紅外光調(diào)制發(fā)射能克服環(huán)境光線的干擾;再對光接收信號(hào)進(jìn)行交流放大后解調(diào)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(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)框圖及部分電路圖。經(jīng)分析該設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣的調(diào)試工作量，可以滿足各種環(huán)境光線的應(yīng)用!

1 傳統(tǒng)光循跡小車電路結(jié)構(gòu)

1.1 小車循跡簡介

所謂小車循跡，就是在白紙上畫出黑色的線條，稱為賽道;小車沿著賽道按要求(可以做一些指定的任務(wù))行進(jìn)時(shí)，能自動(dòng)識(shí)別賽道并按賽道線條行走，稱為小車循跡。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)技能競賽月球車競賽項(xiàng)目湖南賽區(qū)賽道圖。

一般的，小車底部安裝一排(或幾排)紅外光發(fā)射、接收陣列用于檢測賽道，從而控制小車能沿線行走。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，控制小車跑起來越穩(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，這種簡易做法往往也能滿足簡單比賽要求。但抗干擾能力較差。

一種傳統(tǒng)簡易循跡電路圖如圖3所示。

圖3 一種傳統(tǒng)簡易循跡電路圖

采用紅外光作發(fā)射接收的目的是為了減少環(huán)境光線的干擾，但若不采取輔助措施，當(dāng)環(huán)境光線較強(qiáng)時(shí)，并不能很好的克服環(huán)境光線的干擾;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(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)射的紅外光線強(qiáng)度提高了以后，環(huán)境光的紅外成份占總光線的比例就減小了，可以克服一部分環(huán)境光干擾。但是，過于提高發(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

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(diào)制光受到環(huán)境光的淹沒，但是調(diào)制光并沒有因此而消失。接收信號(hào)后送交流放大器放大，被淹沒的調(diào)制光信號(hào)仍可得到復(fù)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的有效紅外光，克服了強(qiáng)環(huán)境光的干擾。

2.6 采用巡回開通某一路發(fā)射接收克服光衍射

壓線的那一路原本不應(yīng)該接收到信號(hào)，而相鄰沒壓線的那一路還在繼續(xù)發(fā)光。由于光衍射，相鄰沒壓線那一路發(fā)出的紅外光很容易衍射到壓線的那一路紅外接收管，導(dǎo)致判斷失誤，從而引起干擾。

當(dāng)巡回開通某一路時(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(hào)，即使這時(shí)候發(fā)光的那一路衍射到壓線的接收電路，但MCU 并不去讀取被衍射的那一路。這就克服了相鄰?fù)ǖ赖难苌涓蓴_。這時(shí)要注意軟件設(shè)計(jì)時(shí)采集一個(gè)巡回的周期時(shí)間要恰當(dāng)。

3 高可靠紅外光循跡電路設(shè)計(jì)

3.1 低占空比脈沖波38.5 kHz/10%~20%脈沖波形成

遵循2.4節(jié)設(shè)計(jì)原則，第一種方法采用具有PWM外設(shè)的單片機(jī)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(yīng)滿足圖4所示的時(shí)間參數(shù)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，簡化電路設(shè)計(jì))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(jì)數(shù)/分配器或九進(jìn)制計(jì)數(shù)/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。