機(jī)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(cè)電路設(shè)計(jì)

4、LM339模塊及紅外對(duì)管模塊介紹

5、紅外循跡程序

1、概述

紅外探測(cè)傳感器由于發(fā)出的是紅外光，常見(jiàn)光對(duì)它的干擾極小，且由于價(jià)格便宜，而被廣泛應(yīng)用于智能小車(chē)的循線、避障以及其它機(jī)器人中物料檢測(cè)、灰度檢測(cè)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(duì)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(duì)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(wú)色透明的LED，此為發(fā)射管，它通電后能夠產(chǎn)生人眼不可見(jiàn)紅外光，另一部分為黑色的接收部分，它內(nèi)部的電阻會(huì)隨著接收到紅外光的多少而變化。

無(wú)論是一體式還是分離式，其檢測(cè)原理都相同，由于黑色吸光，當(dāng)紅外發(fā)射管照射在黑色物體上時(shí)反射回來(lái)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(guò)外接電路就可以讀出檢測(cè)的狀態(tài)；同理，當(dāng)照射在白色表面時(shí)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(shí)通過(guò)外接電路就可以讀出另外一種狀態(tài)，如用電平的高低來(lái)描述上面兩種現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)高低電平之分，也就是會(huì)出現(xiàn)所謂的0和1兩種狀態(tài)，此時(shí)再將此送到單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)就可以判斷是黑白路面，進(jìn)而完成相應(yīng)的功能，如循跡、避障等。

3、檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

上面介紹了紅外光電管檢測(cè)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(shí)現(xiàn)功能，這里我們用到了LM339。LM339為內(nèi)部集成了四路比較器的集成電路。因?yàn)閮?nèi)部的四個(gè)比較電路完全相同，這里僅以一路比較電路進(jìn)行舉例。如圖4所示為單路比較器組成的紅外檢測(cè)電路圖，比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，兩個(gè)輸入端一個(gè)稱(chēng)為同輸入端，用“+”號(hào)表示，另一個(gè)稱(chēng)為反相輸入端，用“－”表示。用作比較兩個(gè)電路時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓作參考電壓（也叫門(mén)限電壓），另一端則直接接需要比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“－”端電壓時(shí)，輸出正電源電壓，當(dāng)“－”端電壓高于“+”端電壓時(shí)，輸出負(fù)電源電壓（注意，此處所說(shuō)的正電源電壓和負(fù)電源電壓是指接比較正負(fù)極的電壓）。

圖4紅外對(duì)管循跡電路圖

下面分4點(diǎn)說(shuō)明下該原理圖的原理

1）、比較器的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到電源端需要接一只電阻（稱(chēng)為上拉電阻，選3－15K）。選用不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值，因?yàn)楫?dāng)輸出晶體管三極管截止時(shí)，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(gè)并聯(lián)后小車(chē)的能耗也大幅增加，但同時(shí)增加了光電管的探測(cè)距離，此處值的大小應(yīng)根據(jù)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到。R2的選擇和采用紅外接收管的內(nèi)阻有關(guān)，具體的選擇只需按照分壓的原理進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以。一般在設(shè)計(jì)時(shí)可以加一個(gè)發(fā)光二極管，照射不同路面時(shí)，通過(guò)觀察發(fā)光二極管的亮亮滅來(lái)看是否達(dá)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(shè)定應(yīng)根據(jù)R2上端的電壓來(lái)決定，此時(shí)一般通過(guò)調(diào)節(jié)此電阻來(lái)適應(yīng)不同的檢測(cè)路面與高度。

4）在設(shè)計(jì)時(shí)，4、5兩端的信號(hào)輸入位置可以交換，如可以把傳感器的信號(hào)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(huì)出現(xiàn)兩種相反的結(jié)果，這個(gè)根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。

5）、最后一點(diǎn)需要注意的是，由于51單片機(jī)沒(méi)有內(nèi)置AD，所以采用比較器的方式（其實(shí)比較器也相當(dāng)于一個(gè)一位AD），對(duì)于有的單片機(jī)帶有AD模塊的，我們則可以通過(guò)單片機(jī)的AD口直接讀取電壓信號(hào)的變化值，不僅可以簡(jiǎn)化外部電路，同時(shí)還能保留紅外接收管連續(xù)變化電壓信號(hào)信息，通過(guò)軟件算法進(jìn)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(diǎn)就是加重了軟件設(shè)計(jì)的難度。

4、LM339模塊及紅外對(duì)管模塊介紹

圖5和實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)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(duì)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(qǐng)大家參考此原理圖和LM339的資料進(jìn)行分析。

圖5LM339模塊及紅外光電管模塊

圖6LM339模塊原理圖