上一篇提到了感測器，我們用的是紅外灰度感測器，這裡我們就對紅外灰度感測器展開來說，理清原理實現，最後能夠自己動手做出來。

一、原理分析

　　我們先來說一個最基本的電路原理：

　　在一個燈泡兩端通電，燈泡就會亮。這很簡單吧。那深入一點點，燈泡有多亮？能控制嗎？用什麼控制？電流！劃重點，電流控制燈泡亮度！那要怎麼控制電流呢？我們介紹另一個簡單的電路原理，歐姆定律：電流=電壓/電阻，劃重點，歐姆定律！ 那簡單了吧，控制電流要麼變電壓，要麼變電阻。我們選擇變電阻。如下圖：電阻限流電路

　　忽略燈泡內阻，我們就得到了 I = U/R ，就可以計算流過燈泡的電流了。

　　可能會有疑問，我們是分析紅外灰度感測器的呀，怎麼弄到燈泡來了？？我們回顧一下紅外灰度感測器的樣子：

　　看，單個的灰度感測器都有兩個半圓的點，一個是透明的，一個是暗黑色的，透明的那個其實就是發射紅外線的燈泡哦。為什麼要裝燈泡呢？這裡我們瞭解一下紅外灰度感測器工作的原理，先看下圖：綠色橢圓代表灰度感測器中的透明點，黑色橢圓代表暗黑色點，綠色的是紅外線，箭頭是傳輸方向，最下的黑色橫條表示障礙物。

　　紅外燈泡通電後，發出紅外光，紅外光遇到障礙物後，反射到紅外接收器。在高中物理中我們有學過，黑色物體吸收光多，越黑越多。所以當障礙物為黑色時，紅外接收器接收到的紅外光就少，當障礙物為白色的時候，紅外接收器接收到的紅外光就多。判斷接收紅外光的多少，就可以知道障礙物的黑白啦。當然，這裡的障礙物指的就是黑色跑道和白色背景。

　　說到這裡，我們還不知道紅外燈泡和紅外接收器的真正名字是什麼呢。其實這兩者的組合稱為紅外對管，劃重點，紅外對管！！！透明的那個是紅外發射管，暗黑色那個叫紅外接收管。回到上面說到了燈泡亮度問題，是不是紅外發射管發出的亮度越高越好呢？不是的，發出的亮度應該是適中且固定的。適中容易理解，固定是什麼意思？就是亮度應該由始至終都相同，不然就算是檢測同一個障礙物的灰度，紅外發射管發射的亮度忽明忽暗，紅外接收管接收到的反射光也就忽明忽暗，但是明明是同一個障礙物，這樣就不對了。我們一般能夠在廠商提供的資料手冊中找到紅外發射管正常工作時的電流（一般是十幾毫安到幾十毫安），根據這個電流和電源的電壓，求出要加的電阻的大小。

　　發射講完了，那接收呢？紅外接收管怎麼知道接收紅外光有多亮。

　　首先我們要了解一個概念：光敏元件，劃重點，光敏元件！！！簡單來說就是對光敏感的元件，也就是說，環境亮度大小會導致光敏元件某一個物理量發生變化。我們使用的紅外接收管就是一種光敏元件，當接收紅外光亮度越大時，電阻就越小。

　　接收的原理弄懂了，實際實現要怎麼做呢？很簡單呀，測電阻就行啦。但是微控制器沒有辦法直接測電阻。。。甚至於一般型號的51微控制器連電壓值都沒辦法測，只能測電平高低。暫時不管這些，我們就先知道沒辦法測電阻。。好吧，我們勉強能測電壓，至於為什麼說勉強，待會再說。我們先來解決一下怎麼把測電阻轉換成測電壓。

　　假設我們現在有一個電壓表，怎麼測電阻大小呢？我們又要來介紹另一個簡單的電路原理：電阻分壓原理。圖中的RL即紅外接收管的電阻，R1是我們挑選的固定阻值的電阻。

　　從上圖，根據電阻分壓原理，我們可以得到UL的值，固定電源為5V，我們假設紅外接收管在障礙物為黑色的時候（即在跑道上），RL電阻為30K，在障礙物為白色的時候，RL電阻為300，假設R1我們用10K的電阻，求障礙物為黑色的時候電壓UL等於多少，障礙物為白色的時候電壓UL等於多少。

　　因此小車在跑道上跑的時候，UL的值就在0.15到3.75之間變化，我們通過檢測UL的大小就可以知道這個紅外灰度感測器是否在跑道上了。

　　還記得我們前面提到說，“勉強”可以測量電壓嗎？為什麼要說勉強？實際上一般型號的51微控制器（不包括某些增強版）是不具備測電壓功能的，也就是說，我們沒有辦法測得出UL的數值。但是51微控制器能夠輸入高低電平，也就是0和1，輸入低於0.4V就相當於輸入0，輸入高於2.4V就相當於輸入1。因此，我們需要一種折中的辦法，以達到我們的目的。

　　我們回顧一下我們的目的，不就是區分黑線和白色背景嗎，而且黑線和白色背景對應的UL相差又比較大，我們大概取一箇中間值，約為2V。現在我們設計一個元件，這個元件有一個輸入和一個輸出。當輸入小於2V時，輸出為0V；當輸出大於2V時，輸出為5V。如下圖理解：

　　這樣一來我們就將UL的0.15~3.75這樣的一個範圍值變成了0和5這樣的兩個數，對應了微控制器輸入的0和1，分別代表著白色背景和黑色線路。

　　這個將數值進行比較後進行輸出的元件叫電壓比較器，劃重點，電壓比較器！！！ 電壓比較器的電路應該這樣畫：

　　中間那個帶+ -號的三角形叫做運放，這個不用劃重點，這裡涉及到數位電路的知識，不展開講，只需要知道的是，當+（正）端輸入的電壓大於-（負）端電壓時，輸出5V，否則輸出0V。

　　回顧一下上面說到的幾個電路，電阻限流，電阻分壓，比較器。綜合以上三個電路，一個紅外灰度感測器的電路就出現了，如下圖：VCC連線電源正極，GND連線電源負極，TCRT5000是一組紅外對管，左邊帶兩個箭頭的是紅外發射管，右邊的是紅外接收管。

　　電路看起來挺複雜的，實際上這個電路分析起來很簡單。首先我們應該注意到，這個電路里面有很多從VCC分出來的並聯支路，我們就通過分析每一個支路來進行整個電路的分析。

　　首先看下電源支路，有電容濾波支路和電源燈支路，如下圖紅色部分所示：

　　從VCC開始，經過104電容（10^4次方pf，也就是0.1uf）後連線到GND，主要用作電源濾波，就是減少電源波動對電路的影響。其次，VCC經過電源指示led，接一個1k的限流電阻然後接到GND，用作電源指示作用，也就是當VCC和GND接到電源的正負極時，電源指示led發亮。這部分電路只要是輔助作用，不是必須的。

　　接下來分析紅外發射對管驅動電路。如下圖綠色部分所示：

　　把VCC換成電源正極，GND換成電源負極，紅外發射對管換成燈泡，這不就是本文開頭說的電阻限流電路嗎？一模一樣的，通過一個180歐姆的電阻進行限流，使通過紅外發射對管的電流符合廠商提供的工作電流範圍。這樣紅外發射對管就能發出亮度適中且固定的紅外光了。

　　接下來我們再看紅外接收對管的接收電路。如下圖藍色部分所示：

　　與發射管同理，將VCC換成電源正極，GND換成電源負極，紅外接收管換成電阻RL，這不就和我們上面分析的電阻分壓電路一樣了嗎？而且測量電壓的取樣點也是在RL之前，跟上面所分析的電路一模一樣，這條支路可以輸出0.15~3.75之間的訊號給比較器。

　　下面分析比較器電路，如下圖紅色部分所示：

　　上面我們說的，比較器的原理是什麼來著，當運放+（正）輸入電壓大於-（負）輸入電壓時，運放輸出就為5V，反之輸出就為0V。觀察此時的+-極輸入是什麼。+極輸入是前面電阻分壓電路得到的UL，-極輸入是VCC和GND之間的電壓經過滑動變阻器（也叫電位器）分壓後得到的某一固定電壓，在上文的分析中，我們把這個固定電壓設定為2V，在這裡我們調節滑動變阻器，獲得一個2V的電壓提供給運放-（負）極即可。

　　電路中的其他部分都是輔助部分或者實現別的功能的部分，跟本次所做的紅外灰度感測器關係不大，可暫時忽略。

　　至此，紅外灰度感測器的電路原理分析部分就完成了，其實所用的核心電路知識都是高中物理電學的基礎，理解起來還是比較簡單的。

 二、實物製作

　　開始實物製作，其實也很簡單，按照上面的電路圖，把電子元件焊起來就行了。先看看需要什麼電子元件：紅外對管，電阻，電源指示led燈，電容，運算放大器和萬能板。大概就是下面這些東西：

　　　　TCRT5000紅外對管　　　　　　　　　　電阻　　　　　　　　　　　　　　　　發光led

　　　　 　瓷片電容　　　　　　　　LM339四路比較器　　　　　　　　　　萬能板

　　來說一下選型，紅外對管選擇了TCRT5000，方便而且便宜，也可以單獨買發射管和接收管，都是可以的。電阻，對電壓和功率的要求不大，就一般的碳膜電阻就行了，阻值要有180，1k和10k的。電容，就只是用到了一個作為電源濾波的104電容，瓷片電容足夠了。LM339四路比較器，內部其實就是四個運放，做循跡小車用到的紅外灰度感測器的數量最少要有5個才能跑得比較好，所以推薦用兩個LM339，焊接7路紅外灰度感測器。萬能板推薦選用這種綠色的玻纖板，黃色那種電木板材質太差，大小選擇合適能放下元件和線路即可。

　　漏掉了電位器（滑動變阻器）。。。大概是下面這個樣子的，能進行分壓就行，對阻值要求不大，用10k的就行。

　　焊接方面就沒什麼好說的了，電子元件按照電路圖放置在萬用板上，用焊錫焊起來就行。可以將電路拆分，將紅外對管的傳送接收電路焊在一塊萬用板上，電壓比較器焊在另外一塊萬用板上，前一塊板就負責輸出電壓UL到後一塊板的比較器+極。焊好之後是下面的樣子：

　　　　　　　　　　　　　　　　紅外對管板元件面

　　　　　　　　　　　　　　　　　　講解圖

　　紅圈處就是一個紅外對管單元的電路，橙色的“1”是紅外對管，“2”是180歐限流電阻，“3”是10k分壓電阻。電流從VCC流入，經過限流電阻2，對紅外發射管供電，然後流入GND。同樣地，電流從VCC流入，經過分壓電阻3，再連線到紅外接收管，最後連到GND，分壓電阻與紅外接收管中間點的電壓就是我們上面分析的電壓UL，即0.15v~3.75v那個電壓。可以看到在這個中心點連線了一根黑線出來（上面的原圖可能清晰一點），這根黑線就可以與比較器的+極相連了。其餘六個紅外對管單元的電路和這個單元是一模一樣的，看看背面線路圖：

　　接下來看比較器板：

　　每個LM339比較器晶片有四路比較器，所以做七路的紅外灰度感測器用兩個LM339比較器晶片就行了。紅色的“1”表示這裡是比較器+（正）端輸入的地方，“2”表示這是分壓電位器，以獲取2V電壓，然後連線到比較器-（負）端。“3”就是比較器輸出端輸出訊號連線微控制器的地方。這塊板的線路會有一點點複雜，所以建議分兩塊板，看看這塊板的背面線路圖：

到這裡，紅外灰度感測器就寫完了。回顧一下有什麼：

1. 電阻限流電路，用來點亮紅外發射管。
2. 電阻分壓電路，用來測量紅外接收管接收到的反射紅外光的強度。
3. 電位器分壓電路，分壓出一個2V電壓提供給比較器-（負）端。
4. 電壓比較器，+（正）端接紅外接收管的電阻分壓電路得到的UL，-（負）端接電位器分壓出來的2V。
5. 實物製作的材料選型，元件的佈局，焊接線路的佈線。