图3.8 TSL1401内部的模块图

图中可以看到上面提到的像素电路、开关逻辑控制和位移寄存器电路。 从图中我们还可以看到一个 Gain Trim,该模块对传感器输出的电压进行增益调整，因此从 AO 引脚输出的电压无需再接其他运放，直接接入单片机的AD输入引脚即可。每个像素的值可以在CLK的下降沿时从AO采集。

根据TSL1401技术文档的提供的数据，该器件的最大曝光时间为100ms，即无论你实际曝光多长时间，只要超过100ms，其图像效果和100ms是一样的。那么如何选择合适的曝光时间，就成了需要面对的问题。

即使是相同的物体，在不同的光线环境下得到的图像是不一样的。从理论上讲，在光线较暗的环境中，应该增加曝光时间，以换取亮度合适的图像；在光线较强的环境中，应该减少曝光时间，以防止图像出现饱和现象。

但是对于采集变化较快的图像，例如在智能车的应用中，应该避免增加曝光时间。原因有两个：

一、增加曝光时间意味着图像采集周期变长，不利于系统的控制。说白了就是采集周期变长，系统控制的反应能力就变弱；

二、增加曝光时间会使图像变模糊，不利于图像处理。这个道理也和相机一样，相机的快门越快，越适合捕捉高速运动的图像，反之则捕捉的图像很模糊！ 当然如果你用来采集变化较慢的图像，或者是静止的图像，则没有曝光时间长短的问题。

针对像素输出值AO的采集，如图3.8所示，使用时需要在SI持续高电平20ns后产生第1个CLK信号，并在每个CLK信号的下降沿时采集AO引脚的输出的电压值。在采集了128个像素后，还必须生成第 129 个 CLK 以结束本次采集。在第129 个CLK之后到下一个SI信号之间的时间就是下次采集的曝光时间（这里说的曝光时间是忽略了第 19 到 129 个 CLK 之间的时间）。

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图3.9 像素输出值AO的采集

3.2.2 陀螺仪和加速度计

由于平衡车的特殊性，车身在循迹前进的过程中，必须保持车身的平衡。根

据最基本保持车身平衡的基本原理， 我们需要知道车身当前的角度和角速度。因此在保持车身平衡方面，我们确定以加速度计作为角度传感器，陀螺仪作为角速度传感器。大赛规定了陀螺仪和加速度计的选用范围。在经过对几个型号的加速度计和陀螺仪的对比之后，我们决定选用 MMA7361 加速度计和 L3G4200 陀螺仪。

图 3.10 加速度计 MMA7361

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图 3.11 陀螺仪 L3G4200

陀螺仪有严重的温度漂移，对陀螺仪的积分并不能得到当前车身的准确的角度。也就无法控制车身的平衡，因此为了得到当前的车身角度，必须使用加速度计。我们使用的是MMA7361，MMA7361具有工作电压第（2.2~3.6V），灵敏度高(800mv/g)的特点。MMA7361是三轴加速度计。其三个输出信号与对应的轴的加速度成比例。陀螺仪的输出不需要接放大电路，唯一的外围器件就是低通滤波电路，由于输出后没有负载，仅作为ADC的信号，这里采用官方的(1K,0.1uF)的无源低通滤波。 3.2.3 编码器

为了使用闭环控制，我们在汽车模型上附加了编码器。和其他元件相比，选用编码器可以使电路更加完善，信号更加精确。编码器功耗低，重量轻，抗冲击抗震动，精度高，寿命长，非常实用。编码器内部无上拉电阻，因此编码器接口出需要设计上拉电阻。同时为了保证波形的稳定，主控板上使用了74125隔离。由于我们购买的编码器自身具有正交解码功能，因此这里无需使用任何外 围计数辅助器件，只需要将接口连接到单片机上相应的接口即可。

3.3 OLED液晶显示屏，键盘，拨码

在调试过程之中，我们需要实时的了解与掌握一些车的运行状态，比如说传

感器的状态，电池的电量，PID参数等，调试时用OLED液晶显示屏将这些参数显示出来，让我们实时的监测车的状态，从而做出判断，这样很大程度的方便了对车的调试。

由于平时要进行大量参数的调试，反复下载程序调试效率很低，且OLED屏

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可以显示调试时需要观察的变量数据。同时，因为竞赛规则，不允许现场更改程序，人机交互设备就很重要了。 该显示模块具有以下特征： ①该 OLED 液晶显示屏为 0.96 寸，分辨率为 128×64，模块支持 3.3v、5v 供电。

②SPI 操作，只需四根信号线就可以对其进行操作，节省 MCU 管脚。 ③高亮度，低功耗，有很好的显示效果，体积小，质量轻。 ④固态结构，没有液体物质，因此抗震性能更好，不怕摔。 ⑤几乎没有可视角度的问题，即使在很大的视角下观看，画面仍然不失真。 ⑥响应时间是 LCD 的千分之一，显示动态画面不会有拖影的现象，低温特性好 发光效率更高，能耗比 LCD 要低。

同时有时候需要对参数作修改处理，如果每修改一个数据就下载一次程序的话，就会浪费时间，为方便的调节参数，我们增加了6个按键，方便参数的修改。而对于比赛是考虑到一些程序，例如平时用的保护程序，还有一些不同整体的策略我们加一个四位拨码进行操作，同样它也起到一个人机交互的作用。按键和拨码的原理图如图3.12所示。

图3.12 按键，拨码原理图

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