一種高可靠小車紅外光循跡電路的設(shè)計(jì)方案

0 引言

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)生智能車競(jìng)賽幾乎都包含小車類的賽題。小車類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。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)光循跡小車電路結(jié)構(gòu)

1.1 小車循跡簡(jiǎn)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(guó)職業(yè)院校大學(xué)生職業(yè)技能競(jìng)賽月球車競(jìng)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(cè)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(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(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(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(méi)，但是調(diào)制光并沒(méi)有因此而消失。接收信號(hào)后送交流放大器放大，被淹沒(méi)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(méi)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(kāi)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(méi)壓線的那一路還在繼續(xù)發(fā)光。由于光衍射，相鄰沒(méi)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(kāi)通某一路時(shí)，任何時(shí)候只一路發(fā)光，檢測(cè)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。

第二種方法采用有源晶振(可省去振蕩電路，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì))1.544 MHz(經(jīng)2 級(jí)二分頻)或11.059 2 MHz(經(jīng)5 級(jí)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。

3.2 紅外光發(fā)射控制電路設(shè)計(jì)

小車紅外光循跡電路采用8路已經(jīng)可以滿足較復(fù)雜競(jìng)賽的要求。按照設(shè)計(jì)原則2.6,矩形脈沖最好不要同時(shí)驅(qū)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 四與門控制脈沖信號(hào)傳送給ULN2803八反向OC驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管，每一路可輸出500 mA.74HC4081 與門的另一個(gè)輸入端接MCU控制選通。如圖6所示。

紅外發(fā)射接收采用一體化封裝的TCRT5000對(duì)管，電流傳輸系數(shù)>20%,發(fā)射管最大持續(xù)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(hào)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(hào)(脈沖)都能傳遞給光敏三極管;如果地面為黑色，光線被吸收，則幾乎沒(méi)有信號(hào)能傳遞給光敏三極管。

控制每一路持續(xù)工作的時(shí)間應(yīng)保證讓紅外發(fā)光二極管發(fā)出10~20個(gè)脈沖，使后續(xù)解調(diào)器能可靠解調(diào)?？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(shè)計(jì)

由于有8個(gè)光發(fā)送接收對(duì)管，圖6中僅顯示出1路，如果只想用一個(gè)放大器和后續(xù)的一個(gè)脈沖頻率解調(diào)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(hào)，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(hào)了，既浪費(fèi)了MCU的IO口，編程也較為復(fù)雜些)。

按2.5節(jié)所述要采用交流放大器的原則，這里采用零漂移雙運(yùn)算放大器AD8552,一個(gè)單元接成反向比例運(yùn)算電路，另一個(gè)單元實(shí)現(xiàn)輸出中點(diǎn)電位給放大電路作參考“地”.電路如圖7所示。可通過(guò)反饋電阻調(diào)整其放大倍數(shù)。

3.4 信號(hào)解調(diào)

信號(hào)解調(diào)采用標(biāo)準(zhǔn)38.5 kHz解調(diào)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(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

按照本方案所介紹的紅外光循跡設(shè)計(jì)原則所設(shè)計(jì)、裝配的電路，可以滿足絕大多數(shù)較復(fù)雜競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)的需求?，F(xiàn)場(chǎng)競(jìng)賽時(shí)抗干擾能力較傳統(tǒng)電路相比大大加強(qiáng)了，既克服了環(huán)境光線的干擾，也克服了臨近紅外循跡發(fā)光管的衍射干擾。電路調(diào)整比傳統(tǒng)電路更加簡(jiǎn)單：僅需調(diào)整放大器的放大倍數(shù)這一項(xiàng)，且一次性調(diào)好，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。由于任一時(shí)刻只需發(fā)出一路強(qiáng)紅外光，并且還是低占空比的調(diào)制光，所以不但不會(huì)因?yàn)椴捎脧?qiáng)紅外光造成成車體電池供電不足，相反的，若干個(gè)循跡發(fā)射二極管輪回通電比傳統(tǒng)的循跡電路一組多個(gè)一直通電的情況更省電。