機器人教程4：紅外循跡及LM339模塊

2、紅外光電管的工作原理

3檢測電路設計

4、LM339模塊及紅外對管模塊介紹

5、紅外循跡程序

1、概述

紅外探測傳感器由于發(fā)出的是紅外光，常見光對它的干擾極小，且由于價格便宜，而被廣泛應用于智能小車的循線、避障以及其它機器人中物料檢測、灰度檢測等系統(tǒng)中，圖1是利用紅外光電管做傳感器模塊。

圖1紅外傳感器

市面上的紅外傳感器一般有兩種，一種是集發(fā)射和接收于一體的紅外對管，一種是發(fā)射管和接收管分立的的紅外管，分別如下圖2和圖3所示。

圖2發(fā)射接收一體的紅外對管圖3分離的紅外傳感器

2、紅外光電管的工作原理

上圖中，紅外光電管有兩種，一種是無色透明的LED，此為發(fā)射管，它通電后能夠產生人眼不可見紅外光，另一部分為黑色的接收部分，它內部的電阻會隨著接收到紅外光的多少而變化。

無論是一體式還是分離式，其檢測原理都相同，由于黑色吸光，當紅外發(fā)射管照射在黑色物體上時反射回來的光就較少，接收管接收到的紅外光就較少，表現(xiàn)為電阻大，通過外接電路就可以讀出檢測的狀態(tài)；同理，當照射在白色表面時發(fā)射的紅外線就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻較小，此時通過外接電路就可以讀出另外一種狀態(tài)，如用電平的高低來描述上面兩種現(xiàn)象就會出現(xiàn)高低電平之分，也就是會出現(xiàn)所謂的0和1兩種狀態(tài)，此時再將此送到單片機的I/O口，單片機就可以判斷是黑白路面，進而完成相應的功能，如循跡、避障等。

3、檢測電路設計

上面介紹了紅外光電管檢測黑線的基本原理，但光只有紅外發(fā)射和接收管不行，必須加外部電路才能實現(xiàn)功能，這里我們用到了LM339。LM339為內部集成了四路比較器的集成電路。因為內部的四個比較電路完全相同，這里僅以一路比較電路進行舉例。如圖4所示為單路比較器組成的紅外檢測電路圖，比較器有兩個輸入端和一個輸出端，兩個輸入端一個稱為同輸入端，用“+”號表示，另一個稱為反相輸入端，用“－”表示。用作比較兩個電路時，任意一個輸入端加一個固定電壓作參考電壓（也叫門限電壓），另一端則直接接需要比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“－”端電壓時，輸出正電源電壓，當“－”端電壓高于“+”端電壓時，輸出負電源電壓（注意，此處所說的正電源電壓和負電源電壓是指接比較正負極的電壓）。

圖4紅外對管循跡電路圖

下面分4點說明下該原理圖的原理

1）、比較器的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到電源端需要接一只電阻（稱為上拉電阻，選3－15K）。選用不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值，因為當輸出晶體管三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻的值，一般選10K左右比較合適。

2）、圖中R1、R2為限流電阻，不同大小的限流電阻決定了紅外發(fā)射管的發(fā)射功率，R1越小，紅發(fā)發(fā)射管的功率就越大，多個并聯(lián)后小車的能耗也大幅增加，但同時增加了光電管的探測距離，此處值的大小應根據(jù)需要通過實驗得到。R2的選擇和采用紅外接收管的內阻有關，具體的選擇只需按照分壓的原理進行一下簡單的計算就可以。一般在設計時可以加一個發(fā)光二極管，照射不同路面時，通過觀察發(fā)光二極管的亮亮滅來看是否達到想要的效果。

3）、圖中R3為分壓電阻，為比較器提供參考電壓，具體參考電壓的設定應根據(jù)R2上端的電壓來決定，此時一般通過調節(jié)此電阻來適應不同的檢測路面與高度。

4）在設計時，4、5兩端的信號輸入位置可以交換，如可以把傳感器的信號從比較器的正端送入。只需注意的是兩種不同的接法，表現(xiàn)在輸出端的電平會出現(xiàn)兩種相反的結果，這個根據(jù)需要進行設計即可。

5）、最后一點需要注意的是，由于51單片機沒有內置AD，所以采用比較器的方式（其實比較器也相當于一個一位AD），對于有的單片機帶有AD模塊的，我們則可以通過單片機的AD口直接讀取電壓信號的變化值，不僅可以簡化外部電路，同時還能保留紅外接收管連續(xù)變化電壓信號信息，通過軟件算法進行位置優(yōu)化，不僅可以得到更精確的位置信息，還可以消除環(huán)境光線的影響，缺點就是加重了軟件設計的難度。

4、LM339模塊及紅外對管模塊介紹

圖5和實驗室設計的紅外循跡模塊，主要分為兩大部分，LM339比較器模塊和紅外對管模塊，由于上面已經(jīng)分析的其工作原理，下面給出兩部分的原理圖，如圖6、圖7所示，具體的原理及接口定義請大家參考此原理圖和LM339的資料進行分析。

圖5LM339模塊及紅外光電管模塊

圖6LM339模塊原理圖