一種高可靠小車紅外光循跡電路的設計方案

歷屆全國大學生電子設計競賽、全國職業(yè)院校大學生職業(yè)技能競賽、飛思卡爾杯全國大學生智能車競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、軟件設計較為簡單，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。小車采用傳統(tǒng)光循跡電路的兩點不足也是顯而易見的：一是容易受環(huán)境光線的影響而照成誤判;另一點是由于光衍射現(xiàn)象的存在又容易被相鄰的光敏管接收而造成誤判。本文就此兩點不足提出一種高可靠小車紅外光循跡電路的設計方案以解決此問題。

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)行進時，能自動識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)院校大學生職業(yè)技能競賽月球車競賽項目湖南賽區(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)，但編程時算法越復雜。一般少則四、五個，多則十來個，如圖2 所示。也可以采用雙排甚至多排設計。

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，接收部分采用比較器。比較器的一個比較點用電位器調(diào)整直流電位，另一個比較點接光敏管的輸出端，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。

一路傳統(tǒng)簡易循跡電路圖如圖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，當環(huán)境光線較強時，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 紅外光循跡設計原則

2.1 選擇合適的光發(fā)射驅(qū)動電流

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)射的紅外光線強度提高了以后，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，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，甚至可以大大超過紅外發(fā)光二極管的最大允許正向電流IF ,而不會損壞紅外發(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，則抗干擾能力也進一步加強。

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)制光信號在調(diào)制頻率為38.5 kHz時，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，應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38.5 kHz/10%~20%占空比的PWM 信號作調(diào)制振蕩信號;也可以用晶體振蕩器配合非線性器件進行振蕩、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