3 高可靠紅外光循跡電路設計

　　3.1 低占空比脈沖波38.5 kHz/10%~20%脈沖波形成

　　遵循2.4節設計原則，第一種方法采用具有PWM外設的單片機啟動PWM 模塊產生脈沖波，不建議用純軟件產生該脈沖波。產生的波形應滿足圖4所示的時間參數要求。

　　第二種方法采用有源晶振（可省去振蕩電路，簡化電路設計）1.544 MHz（經2 級二分頻）或11.059 2 MHz（經5 級二分頻）后，分別產生386 kHz 或345.6 kHz 方波，后接十進制計數/分配器或九進制計數/分配器，從Q0~Q7任意引腳即可產生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，占空比一個是10%，一個是11%）。電路圖如圖5所示。

　　3.2 紅外光發射控制電路設計

　　小車紅外光循跡電路采用8路已經可以滿足較復雜競賽的要求。按照設計原則2.6，矩形脈沖最好不要同時驅動光發射電路，需要一路一路輪流發送并保持一段時間。

　　采用兩個74HC4081 四與門控制脈沖信號傳送給ULN2803八反向OC驅動器驅動紅外發光二極管，每一路可輸出500 mA.74HC4081 與門的另一個輸入端接MCU控制選通。如圖6所示。

　　紅外發射接收采用一體化封裝的TCRT5000對管，電流傳輸系數》20%，發射管最大持續允許電流IF 為60 mA，脈沖電流在1 μs/1%占空比時允許3 A.脈沖信號經紅外發光管發射后，經地面反射，送到光敏三極管從發射極輸出。如果地面為白色，絕大部分信號（脈沖）都能傳遞給光敏三極管；如果地面為黑色，光線被吸收，則幾乎沒有信號能傳遞給光敏三極管。

　　控制每一路持續工作的時間應保證讓紅外發光二極管發出10~20個脈沖，使后續解調器能可靠解調。可以算出循環一周共8路所需時間：

　　T=（［ 1 38.5 kHz）×（10~20）］×8=2.08~4.16 ms.

　　3.3 放大器電路設計

　　由于有8個光發送接收對管，圖6中僅顯示出1路，如果只想用一個放大器和后續的一個脈沖頻率解調器，則需要模擬開關來一一選通。為了和圖6共用選通信號，采用兩片74HC4066（也可以用一片74HC4051，但這時就不能共用74HC4081選通信號了，既浪費了MCU的IO口，編程也較為復雜些）。

　　按2.5節所述要采用交流放大器的原則，這里采用零漂移雙運算放大器AD8552，一個單元接成反向比例運算電路，另一個單元實現輸出中點電位給放大電路作參考“地”。電路如圖7所示。可通過反饋電阻調整其放大倍數。

　　3.4 信號解調

　　信號解調采用標準38.5 kHz解調器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極性電容器，最好采用CBB 電容器。電路結構圖如圖8所示。

　　4 結語

　　按照本方案所介紹的紅外光循跡設計原則所設計、裝配的電路，可以滿足絕大多數較復雜競賽現場的需求。現場競賽時抗干擾能力較傳統電路相比大大加強了，既克服了環境光線的干擾，也克服了臨近紅外循跡發光管的衍射干擾。電路調整比傳統電路更加簡單：僅需調整放大器的放大倍數這一項，且一次性調好，避免了傳統設計繁瑣的調試工作量，可以滿足各種環境光線的應用。由于任一時刻只需發出一路強紅外光，并且還是低占空比的調制光，所以不但不會因為采用強紅外光造成成車體電池供電不足，相反的，若干個循跡發射二極管輪回通電比傳統的循跡電路一組多個一直通電的情況更省電。（作者：徐昌華）