图 11 · 机器人实验室 · 靠计时读数的八个红外传感器

QTR-8RC 循迹传感器

Arduino Nano

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实验台

还没有读数

黑线位置（0-7000）

还没有读数

电流消耗

0 mA

组装与弄坏

1组装下一步
拆成光板
把红色板子上的所有零件都拆下来。你要按它的制造顺序装回去：先装 SMD 传感器、电阻、电容和 MOSFET，然后是排针。
2
贴片机贴装 SMD 零件，然后回流焊
3
在背面装上 11 针排针
4
焊接排针
5
把阵列接到 Nano
6
连接 TB6612FNG
7
连接电机
8
把 LiPo 接到 VM 和 GND
9
把测试卡塞到阵列下面
10
给台架通电
11
上传“原始 RC 时间”
12
上传“黑线位置”
13
上传“循迹”
14
用 3.3 V 给阵列供电弄坏它
15
在 5 V 下桥连 3.3V BYPASS弄坏它
16
在 OUT1 上留一个虚焊弄坏它
17
漏装 R9弄坏它
18
把台架放到阳光下弄坏它
19
把阵列抬高到 10 mm弄坏它
20
把左右电机接反弄坏它
21
用 Nano 的 5 V 驱动电机弄坏它
22
爆炸视图

故意弄坏它

每一种故障都真实地困扰过动手的人。触发它，在实验台上读出症状，然后把它修好。

阵列接 3.3 V 却没桥连旁路
电压不对
为什么会这样
症状: 每个传感器都读成暗，连白卡也是；位置乱跳或卡在中间。
每串 LED 是两颗约 1.2 V 的 LED 加 141 Ω。从 5 V 出发，电阻上剩 2.6 V：约 18 mA。从 3.3 V 出发只剩 0.9 V：约 6 mA，只有三分之一的光。光电晶体管收到的红外线太少，连白色都下降得很慢，而在 5 V 下校准过之后，一切都被算成黑色。
修复方法: VCC 用 5 V 供电。在 3.3 V 的板子上，桥连 3.3V BYPASS 焊盘，让 LED 恢复它们的电流。
在 5 V 下桥连了旁路
过流
为什么会这样
症状: 传感器 5 和 6 在白卡上读成黑色，而且一直如此；板子取约 220 mA，LED 发热。
旁路焊盘把每一串共用的两个 47 Ω 电阻短路掉。在 5 V 下，每串取 (5 - 2.4 V) / 47 Ω，约 55 mA，超过 LED 50 mA 的额定值。LED 是成对串联的，所以一颗烧断时，它的搭档也跟着熄灭。
修复方法: 去掉焊锡桥连，更换烧坏那一对的传感器。只在 3.3 V 下桥连旁路。
OUT1 虚焊
虚焊
为什么会这样
症状: 传感器 1 时不时跳到 2500（黑色），位置猛地偏向左边。
RC 读数需要引脚先给节点充电，再看着它下降。经过一个时通时断的焊点，Nano 有时什么都收不到，在 2500 时超时：这正是传感器在黑色上方时的读数。
修复方法: 加新焊锡重新加热这个焊点，直到它在引脚周围流成一个光亮的锥形。
缺少 R9
缺少零件
为什么会这样
症状: 传感器 3 和 4 不管在白色还是黑色上都读 2500；位置偏向它们。
传感器 3 和 4 的 LED 经过 R9 串联。没有它就没有通路，所以两颗 LED 都不亮。一个不发出红外线的传感器也收不到红外线，于是读成黑色。
修复方法: 装上 R9（47 Ω）并回流焊。两个传感器一起失灵，通常是它们共用的那串 LED 出了问题。
阳光照在地面上
设置错误
为什么会这样
症状: 每个传感器都读得很快，连黑胶带也是：阵列找不到线。
阳光里的红外线比 LED 发出的多得多。不管下面是什么，它都会照到每一颗光电晶体管，所以所有输出都下降得很快，黑色看起来也像白色。
修复方法: 给阵列遮光，或者在 LED 开和关时各读一次再相减（QTRSensors 里的 QTRReadMode::OnAndOff）。
阵列离地 10 mm
设置错误
为什么会这样
症状: 白色读约 780 µs 而不是 120，黑色超时；位置游移不定，机器人左右摇摆。
LED 的光在往下照再反射回来的路上会散开。Pololu 测得 3 mm 时白色上为 120 µs，10 mm 时为 780 µs：只有六分之一的光。在低位置校准过之后，白色现在在每个传感器看来都是灰的。
修复方法: 把阵列装在离地 3 mm 处（Pololu 的最佳距离，最多 9.5 mm），并在你实际行驶的高度上校准。
左右电机接反
设置错误
为什么会这样
症状: 机器人转离黑线，丢了线，然后原地打转。
线在左边时，程序让左轮减速。但那个轮子现在在右侧，所以机器人向右转，线移得更靠左：修正反而让误差更大。
修复方法: 把电机线换回来，或者在程序里对调 PWMA 和 PWMB。
电机接在 Nano 的 5 V 上
欠压
为什么会这样
症状: 轮子一顿一顿，Nano 一遍遍重启，校准永远完成不了。
TT 电机运转时取 200-300 mA，启动时超过 1 A。经过 USB 和 Nano 的 500 mA 保险丝，这会把 5 V 拉到 ATmega 所需的电压以下，于是它复位，电机停下，电压恢复，然后又重新开始。
修复方法: VM 用 LiPo 供电。让逻辑和电机使用各自的电源，并共地。

认识这个实验台

组装传感器阵列，读出黑线，然后转向

QTR-8RC 是一条 75 mm 长的红色板子，上面排着一行八个红外反射传感器，间距 9.5 mm。每个传感器是并排的一颗红外 LED 和一颗光电晶体管，看着下方 3 mm 处的地面。白色反射很多红外线，黑胶带几乎不反射。RC 版本靠计时读数：Nano 把每个输出驱动为 HIGH，然后松开，数一数信号线要多久才降下来，白色上约 120 µs，黑色上则超过库的 2500 µs 超时。这八个时间合成一个 0 到 7000 的数：黑线在阵列下方的位置。组装阵列，把它和一块 TB6612FNG 以及两个减速电机接到 Nano 上，在它下面塞进一张测试卡，让机器人转向回到线上。然后把它弄坏：电压不够、旁路被桥连、虚焊、阳光、阵列太高、电机接反。

资料来源

实验台上

已选择

程序占用 4,410 字节的程序存储空间

代码：原始 RC 时间

// QTR-8RC：由 Nano 计时的八个 RC 传感器
#include <QTRSensors.h>

QTRSensors qtr;
const uint8_t SENSORS[8] = {A0, A1, A2, A3, A4, A5, 11, 12};   // OUT1-OUT8：任何数字引脚都能给 RC 输出计时
uint16_t values[8];

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  qtr.setTypeRC();
  qtr.setSensorPins(SENSORS, 8);
  qtr.setEmitterPin(2);          // LEDON：库在每次读数时打开红外 LED
  Serial.println("raw: OUT1-OUT8 in us, 2500 = timeout");
}

void loop() {
  qtr.read(values);              // 八个下降时间，单位 µs：白色上约 120，黑色上 2500（超时值）
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    if (i > 0) Serial.print(' ');
    Serial.print(values[i]);
  }
  Serial.println();
  delay(1000);
}

练习任务

0/2 个任务

写好代码，然后运行检查。运行使用虚拟时钟和预先编排好的外部世界，所以同样的代码总是得到同样的结果。

转向回到线上

Arduino C++

初始代码能读出线，但不管看到什么都以 150 驱动两个轮子。让它转向：error = position - 3500，然后 left = 150 + error / 20，right = 150 - error / 20。线在传感器 2 下方时，左轮必须减速、右轮加速；在传感器 7 下方时正好相反；在中间时，两个都是 150。

检查

尚未运行运行 4.5 s
尚未运行用 readLineBlack() 读取黑线
尚未运行STBY（D9）为 HIGH：驱动器已唤醒
尚未运行居中：左轮（D5）约为 150/255
尚未运行居中：右轮（D6）约为 150/255
尚未运行线在传感器 2 下方：左轮减速
尚未运行线在传感器 2 下方：右轮加速
尚未运行线在传感器 7 下方：左轮加速
尚未运行线在传感器 7 下方：右轮减速
尚未运行再次居中：回到 150

提示

readLineBlack() 返回的是无符号数；相减之前先转换类型：int error = (int)pos - 3500;
error / 20 等同于 error x 0.05，但不需要浮点运算：这就是 Kp。
motors() 已经用 constrain() 把每个轮子限制在 0-255 了。

转向回到线上的代码

原地打转找线

Arduino C++

在急弯处，线会跑到最外侧的传感器下方，光靠转向太慢了。位置小于 1000 时原地向左转：左轮向后，右轮向前，都是 110。大于 6000 时向右转。介于两者之间时，照常转向。

检查

尚未运行运行 4.3 s
尚未运行线在最左边：AIN1（D7）为 LOW
尚未运行线在最左边：AIN2（D8）为 HIGH，左轮向后转
尚未运行线在最左边：BIN1（D10）为 HIGH，右轮向前
尚未运行居中：左轮重新向前
尚未运行线在最右边：BIN1（D10）为 LOW
尚未运行线在最右边：BIN2（D4）为 HIGH，右轮向后
尚未运行线在最右边：左轮向前
尚未运行以 110 向左转：左轮占空比约 43%
尚未运行以 110 向右转：右轮占空比约 43%

提示

wheel() 接收一个带符号的速度：负数会把 IN1 设为 LOW、IN2 设为 HIGH，所以轮子向后转。
if (pos < 1000) { motors(-110, 110); } else if (pos > 6000) { motors(110, -110); } else { ... }
在最后一个分支里保留第一个任务的那行转向代码。

原地打转找线的代码

// 线在最边上的传感器下方时原地打转
#include <QTRSensors.h>

QTRSensors qtr;
const uint8_t SENSORS[8] = {A0, A1, A2, A3, A4, A5, 11, 12};   // OUT1-OUT8：任何数字引脚都能给 RC 输出计时
uint16_t values[8];
const int PWMA = 5, AIN1 = 7, AIN2 = 8, STBY = 9, BIN1 = 10, BIN2 = 4, PWMB = 6;
const int BASE = 150;

void wheel(int in1, int in2, int pwm, int speed) {
  digitalWrite(in1, speed >= 0 ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(in2, speed >= 0 ? LOW : HIGH);
  analogWrite(pwm, constrain(abs(speed), 0, 255));
}

void motors(int left, int right) {
  wheel(AIN1, AIN2, PWMA, left);
  wheel(BIN1, BIN2, PWMB, right);
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  qtr.setTypeRC();
  qtr.setSensorPins(SENSORS, 8);
  qtr.setEmitterPin(2);          // LEDON：库在每次读数时打开红外 LED
  for (int p = 4; p <= 10; p++) pinMode(p, OUTPUT);
  digitalWrite(STBY, HIGH);
  for (int i = 0; i < 100; i++) {   // 现在把阵列在胶带上来回扫：每个传感器学习自己的白和黑
    qtr.calibrate();
    delay(20);
  }
}

void loop() {
  uint16_t pos = qtr.readLineBlack(values);
  // 加上两种原地转：小于 1000 向左转，大于 6000 向右转
  int turn = ((int)pos - 3500) / 20;
  motors(BASE + turn, BASE - turn);
  delay(20);
}

组装与弄坏

1组装下一步

拆成光板

把红色板子上的所有零件都拆下来。你要按它的制造顺序装回去：先装 SMD 传感器、电阻、电容和 MOSFET，然后是排针。

贴片机贴装 SMD 零件，然后回流焊

在背面装上 11 针排针

焊接排针

把阵列接到 Nano

连接 TB6612FNG

连接电机

把 LiPo 接到 VM 和 GND

把测试卡塞到阵列下面

给台架通电

上传“原始 RC 时间”

上传“黑线位置”

上传“循迹”

用 3.3 V 给阵列供电弄坏它

在 5 V 下桥连 3.3V BYPASS弄坏它

在 OUT1 上留一个虚焊弄坏它

漏装 R9弄坏它

把台架放到阳光下弄坏它

把阵列抬高到 10 mm弄坏它

把左右电机接反弄坏它

用 Nano 的 5 V 驱动电机弄坏它

爆炸视图

认识这个实验台

组装传感器阵列，读出黑线，然后转向

实验台上

已选择

程序占用 4,410 字节的程序存储空间

代码：原始 RC 时间

// QTR-8RC：由 Nano 计时的八个 RC 传感器
#include <QTRSensors.h>

QTRSensors qtr;
const uint8_t SENSORS[8] = {A0, A1, A2, A3, A4, A5, 11, 12};   // OUT1-OUT8：任何数字引脚都能给 RC 输出计时
uint16_t values[8];

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  qtr.setTypeRC();
  qtr.setSensorPins(SENSORS, 8);
  qtr.setEmitterPin(2);          // LEDON：库在每次读数时打开红外 LED
  Serial.println("raw: OUT1-OUT8 in us, 2500 = timeout");
}

void loop() {
  qtr.read(values);              // 八个下降时间，单位 µs：白色上约 120，黑色上 2500（超时值）
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    if (i > 0) Serial.print(' ');
    Serial.print(values[i]);
  }
  Serial.println();
  delay(1000);
}

原地打转找线

Arduino C++

检查

尚未运行运行 4.3 s
尚未运行线在最左边：AIN1（D7）为 LOW
尚未运行线在最左边：AIN2（D8）为 HIGH，左轮向后转
尚未运行线在最左边：BIN1（D10）为 HIGH，右轮向前
尚未运行居中：左轮重新向前
尚未运行线在最右边：BIN1（D10）为 LOW
尚未运行线在最右边：BIN2（D4）为 HIGH，右轮向后
尚未运行线在最右边：左轮向前
尚未运行以 110 向左转：左轮占空比约 43%
尚未运行以 110 向右转：右轮占空比约 43%

提示

wheel() 接收一个带符号的速度：负数会把 IN1 设为 LOW、IN2 设为 HIGH，所以轮子向后转。
if (pos < 1000) { motors(-110, 110); } else if (pos > 6000) { motors(110, -110); } else { ... }
在最后一个分支里保留第一个任务的那行转向代码。

原地打转找线的代码

// 线在最边上的传感器下方时原地打转
#include <QTRSensors.h>

void wheel(int in1, int in2, int pwm, int speed) {
  digitalWrite(in1, speed >= 0 ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(in2, speed >= 0 ? LOW : HIGH);
  analogWrite(pwm, constrain(abs(speed), 0, 255));
}

void motors(int left, int right) {
  wheel(AIN1, AIN2, PWMA, left);
  wheel(BIN1, BIN2, PWMB, right);
}

QTR-8RC 循迹传感器

实验台

组装与弄坏

拆成光板

贴片机贴装 SMD 零件，然后回流焊

在背面装上 11 针排针

焊接排针

把阵列接到 Nano

连接 TB6612FNG

连接电机

把 LiPo 接到 VM 和 GND

把测试卡塞到阵列下面

给台架通电

上传“原始 RC 时间”

上传“黑线位置”

上传“循迹”

用 3.3 V 给阵列供电弄坏它

在 5 V 下桥连 3.3V BYPASS弄坏它

在 OUT1 上留一个虚焊弄坏它

漏装 R9弄坏它

把台架放到阳光下弄坏它

把阵列抬高到 10 mm弄坏它

把左右电机接反弄坏它

用 Nano 的 5 V 驱动电机弄坏它

爆炸视图

故意弄坏它

阵列接 3.3 V 却没桥连旁路

在 5 V 下桥连了旁路

OUT1 虚焊

缺少 R9

阳光照在地面上

阵列离地 10 mm

左右电机接反

电机接在 Nano 的 5 V 上

实时状态

电流消耗

自我检测

在这一步之后：焊接排针

在这一步之后：上传“黑线位置”

在这一步之后：上传“循迹”

在这一步之后：用 Nano 的 5 V 驱动电机

实验台总测验

认识这个实验台

资料来源

实验台上

练习任务

转向回到线上

检查

原地打转找线

检查

QTR-8RC 循迹传感器

实验台

组装与弄坏

拆成光板

贴片机贴装 SMD 零件，然后回流焊

在背面装上 11 针排针

焊接排针

把阵列接到 Nano

连接 TB6612FNG

连接电机

把 LiPo 接到 VM 和 GND

把测试卡塞到阵列下面

给台架通电

上传“原始 RC 时间”

上传“黑线位置”

上传“循迹”

用 3.3 V 给阵列供电弄坏它

在 5 V 下桥连 3.3V BYPASS弄坏它

在 OUT1 上留一个虚焊弄坏它

漏装 R9弄坏它

把台架放到阳光下弄坏它

把阵列抬高到 10 mm弄坏它

把左右电机接反弄坏它

用 Nano 的 5 V 驱动电机弄坏它

爆炸视图

故意弄坏它

阵列接 3.3 V 却没桥连旁路

在 5 V 下桥连了旁路

OUT1 虚焊

缺少 R9