机器人教程4：红外循迹及LM339模块

2、红外光电管的工作原理

3 检测电路设计

4、LM339模块及红外对管模块介绍

5、红外循迹程序

1、概述

红外探测传感器由于发出的是红外光，常见光对它的干扰极小，且由于价格便宜，而被广泛应用于智能小车的循线、避障以及其它机器人中物料检测、灰度检测等系统中，图1是利用红外光电管做传感器模块。

图1 红外传感器

市面上的红外传感器一般有两种，一种是集发射和接收于一体的红外对管，一种是发射管和接收管分立的的红外管，分别如下图2和图3所示。

         图2 发射接收一体的红外对管         图3分离的红外传感器

2、红外光电管的工作原理

上图中，红外光电管有两种，一种是无色透明的LED，此为发射管，它通电后能够产生人眼不可见红外光，另一部分为黑色的接收部分，它内部的电阻会随着接收到红外光的多少而变化。

无论是一体式还是分离式，其检测原理都相同，由于黑色吸光，当红外发射管照射在黑色物体上时反射回来的光就较少，接收管接收到的红外光就较少，表现为电阻大，通过外接电路就可以读出检测的状态；同理，当照射在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接收管的电阻较小，此时通过外接电路就可以读出另外一种状态，如用电平的高低来描述上面两种现象就会出现高低电平之分，也就是会出现所谓的0和1两种状态，此时再将此送到单片机的I/O口，单片机就可以判断是黑白路面，进而完成相应的功能，如循迹、避障等。

3、检测电路设计

上面介绍了红外光电管检测黑线的基本原理，但光只有红外发射和接收管不行，必须加外部电路才能实现功能，这里我们用到了LM339。LM339为内部集成了四路比较器的集成电路。因为内部的四个比较电路完全相同，这里仅以一路比较电路进行举例。如图4所示为单路比较器组成的红外检测电路图，比较器有两个输入端和一个输出端，两个输入端一个称为同输入端，用“+”号表示，另一个称为反相输入端，用“－”表示。用作比较两个电路时，任意一个输入端加一个固定电压作参考电压（也叫门限电压），另一端则直接接需要比较的信号电压。当“+”端电压高于“－”端电压时，输出正电源电压，当“－”端电压高于“+”端电压时，输出负电源电压（注意，此处所说的正电源电压和负电源电压是指接比较正负极的电压）。

图4 红外对管循迹电路图

下面分4点说明下该原理图的原理

1）、比较器的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到电源端需要接一只电阻（称为上拉电阻，选3－15K）。选用不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值，因为当输出晶体管三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻的值，一般选10K左右比较合适。

2）、图中R1、R2为限流电阻，不同大小的限流电阻决定了红外发射管的发射功率，R1越小，红发发射管的功率就越大，多个并联后小车的能耗也大幅增加，但同时增加了光电管的探测距离，此处值的大小应根据需要通过实验得到。R2的选择和采用红外接收管的内阻有关，具体的选择只需按照分压的原理进行一下简单的计算就可以。一般在设计时可以加一个发光二极管，照射不同路面时，通过观察发光二极管的亮亮灭来看是否达到想要的效果。

3）、图中R3为分压电阻，为比较器提供参考电压，具体参考电压的设定应根据R2上端的电压来决定，此时一般通过调节此电阻来适应不同的检测路面与高度。

4）在设计时，4、5两端的信号输入位置可以交换，如可以把传感器的信号从比较器的正端送入。只需注意的是两种不同的接法，表现在输出端的电平会出现两种相反的结果，这个根据需要进行设计即可。

5）、最后一点需要注意的是，由于51单片机没有内置AD，所以采用比较器的方式（其实比较器也相当于一个一位AD），对于有的单片机带有AD模块的，我们则可以通过单片机的AD口直接读取电压信号的变化值，不仅可以简化外部电路，同时还能保留红外接收管连续变化电压信号信息，通过软件算法进行位置优化，不仅可以得到更精确的位置信息，还可以消除环境光线的影响，缺点就是加重了软件设计的难度。

4、LM339模块及红外对管模块介绍

图5和实验室设计的红外循迹模块，主要分为两大部分，LM339比较器模块和红外对管模块，由于上面已经分析的其工作原理，下面给出两部分的原理图，如图6、图7所示，具体的原理及接口定义请大家参考此原理图和LM339的资料进行分析。

图5  LM339模块及红外光电管模块

图6  LM339模块原理图[page]

图7 红外循迹原理图

5、红外循迹程序

下面给出一个简单的程序用以实现小车的循迹，为了便于对程序的理解，此处用非PWM的方法写出，即电源电压直接加了电机两端，以固定速度实现循迹。

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit PWM1=P2^0;//接IN1 控制正转

sbit PWM2=P2^1;//接IN2 控制反转

sbit PWM3=P2^2;//接IN1 控制正转

sbit PWM4=P2^3;//接IN2 控制反转

sbit PWM5=P2^4;//接IN1 控制正转

sbit PWM6=P2^5;//接IN2 控制反转

sbit PWM7=P2^6;//接IN1 控制正转

sbit PWM8=P2^7;//接IN2 控制反转

sbit ss1=P1^0;   //左二级

sbit ss2=P1^1;   //左一级

void main()

{

while(1)

{

     if(ss1==0&&ss2==0)//直走

     {

        PWM1=1;

        PWM2=0;   

        PWM3=1;

        PWM4=0;   

        PWM5=1;

        PWM6=0;   

        PWM7=1;

        PWM8=0;      

     }

     if(ss1==1&&ss2==0)//右边检测到，向右转

     {

        PWM1=0;

        PWM2=0;   

        PWM3=0;

        PWM4=0;   

        PWM5=1;

        PWM6=0;   

        PWM7=1;

        PWM8=0;      

     }

     if(ss1==0&&ss2==1)//左边检测到，向左转

     {

        PWM1=1;

        PWM2=0;   

        PWM3=1;

        PWM4=0;   

        PWM5=0;

        PWM6=0;   

        PWM7=0;

        PWM8=0;      

     }     

}         

}