我們制作的軌跡傳感器外形如下：
3.1 硬件設計
3.1.1 采樣器設計
為了便于準確的判斷出軌跡的情況，考慮用4個光電采樣器對軌跡進行采樣，4個采樣器的布置如下：
圖中1、2號采樣器負責檢測是否脫離軌跡，3、4號采樣器負責檢測軌跡的交叉。這樣布置的要求是：
- 1、2號采樣器間距小于軌跡寬度，同時要平行；
- 3、4號采樣器間距要大于線寬1.5 - 2 倍，也要平行；
- 同時，前后兩組的采樣平行線間距要小于軌跡寬度。
因為采樣器主要目的是監測軌跡，所以在采樣電路上作了一些處理，以減小環境光的干擾。
采樣器的電路如下：
采樣器解剖圖：
采樣器外形：
3.1.2 CPU的選擇
根據設計目標，同時為了簡化系統的硬件，縮小體積，便于封裝在LEGO積木塊中，選用了PHILIP的LPC917 單片機作為處理芯片。
LPC917 具有：
- 4路AD輸入；
- 2路PWM輸出；
- 256字節RAM；
- 2K字節FALSH ROM，支持ICP，更新程序十分方便；
- FLASH ROM還支持IAP，可以作為備份數據存儲；
- 內置上電復位、RC振蕩器，可實現零外部器件工作；
- 2周期高速51內核，彌補了原來51系列單片機慢的缺陷；
- 16腳小體積封裝，只有5 X 6 mm ,便于縮小PCB。
之所以選擇LPC900 系列單片機，首先是因為它是51系列單片機，51系列在國內是一個最普及的單片機品種，涉及51的資源最為豐富，選用51系列為使用者二次開發提供了方便。
其次是LPC900系列速度快，是原來標準51的6倍。
第三是LPC900系列均支持ICP方式編程，而使用USB的ICP下載線成本不高，零售價只有120元，這對于追求小體積而不得不使用表貼器件的用戶來說，應該是個不錯的選擇。ICP方式相對于IAP更可靠一些。
程序下載示意圖：
第四就是LPC900系列的品種比較齊全，對于單一功能性的應用均可以找到合適的規格，我們所選的917就是看中了其4路AD輸入和2路PWM輸出。
3.1.3 電路設計
因為RCX輸入口的電源負載能力有限，為避免不可靠，軌跡傳感器自供電，一方面減少了不確定因素，另一方面可以使用RCX的通用輸入模式，增加輸入的分辨率，RCX的通用輸入數值范圍為 0 - 1024 （10位AD）。
為了減小體積，采用了升壓電路，將一節7號電池的電壓升高到5V，作為傳感器的電源。
所有的功能均由LPC917 完成，使用其4路AD輸入將采樣器的信號轉換為數字值，經內部軟件處理后，根據結果用PWM方式轉換為模擬量輸出給RCX。
因為系統的可靠性、速度要求不高，所以使用了LPC917的內部復位電路和內部的RC振蕩器，工作頻率為7.3MHz。CPU工作無外部器件。
(點擊放大)
電路中設計了一個電源及工作狀態指示燈，用于指示傳感器的工作狀態。
為了實現對采樣器的調試，設計了一個按鍵，控制進入和退出調試。
對于采樣器，為了減小環境光的干擾，每路均增加了一個控制信號。
為了和RCX的輸入匹配，做到無極性連接，輸出經放大后接了全橋整流，雖然損失了一部分信號幅度，但是方便了使用。為減小幅度損失，全橋選用肖特基二極管組成。
處理部分解剖圖：
處理部分外形：
3.2 軟件設計
3.2.1 資源分配
- 使用LPC917的4路AD輸入對采樣信號進行數值轉換，工作在直接觸發、單次掃描模式；
- 使用Timer0 產生 1ms時基，控制采樣和輸出；
- 使用Timer1 作為 PWM 輸出，產生RCX所要的模擬信號；
- 借用ICP的端口P0.5 作為進入調試模式的控制端。
3.2.2 程序實現的功能
- 4路A/D采樣；
- 計算出模型在軌跡上的位置；
- 輸出模擬量結果；
- 調試功能，實現軌跡判斷值的建立以及光電采樣器的安裝調整；
3.2.3 程序架構
程序分為以下幾個模塊：
☆采樣模塊 —— 實現每 1ms 對4路信號的AD轉換一次，并根據判斷域值換算為邏輯值保存，定義采樣邏輯值為：
在軌跡上為“1”，不在軌跡上為“0”。
☆位置計算模塊 —— 根據轉換后的4個采樣器邏輯值計算出目前的位置信息，并轉換為定義的模擬量。
輸出模擬量定義如下：
輸出的軌跡特征 內部的輸出值 RCX的輸入中值（判斷值）
一共是11種狀態，為了避免信息混亂，所有特殊的軌跡狀態（判斷值小于3，大于7的）均是在走過后輸出，輸出維持 100 ms ,以確保RCX能可靠獲取。
對于偏離軌跡的判斷，如果沒有經過特殊軌跡，偏離后只會維持3或7 輸出，必須糾偏后回到狀態5，才繼續判斷其它狀態。
☆判斷值建立和采樣器安裝調試模塊 —— 為了建立軌跡和背景之間的判斷值和變化方向，需要有一個調試狀態，同時完成對采樣器安裝的調試。
進入調試狀態借用 ICP 口中的P0.5，正常工作時P0.5 浮空（芯片內部上拉），為高電平，對地接一個按鈕，按一下進入調試狀態。在調試狀態下，輸出為采樣器的實際值，可以通過RCX的VIEW功能對采樣器的安裝位置進行調試。
具體操作模式為：第一次按時，進入調試模式，輸出1號采樣值，可根據此值調試采樣器安裝位置，再按依次輸出2、3、4號采樣值，第五次按前將1、2 號采樣器置于軌跡上，3、4置于背景上（軌跡外），輸出的是判斷域值，此時再按下按鈕將保存判斷域值，并返回到工作模式，完成調試過程。
在上述過程中，電源指示的閃爍方式為：在調試1號時，閃一下，滅1秒；調試2號時，閃2下，滅1秒；依次到輸出判斷域值時，閃5下，滅1秒。回到正常工作時連續閃爍。
程序完成紀錄軌跡及背景的采樣值，計算出判斷值以及變化方向，并寫入FLASH中保存，不再次進入調試不會被修改。
采樣在1ms 中斷中完成，建立標志。主程序根據標志啟動計算或調試模塊，輸出對應的結果。
四、使用方法
連接示意圖：
ROBOLAB 程序：
以上程序只是一個示例，對于特殊軌跡沒有處理，具體應用時可根據需求添加。
上述采樣器的布置方案不是唯一的，可能有更好的模式，我們提供的只是一種思路，希望能起到拋磚引玉的作用。
五、擴展應用
上述模式也可用于其它的應用，如在青少年機器人足球項目中，用于對灰色漸變場地的監測，本采樣器在LEGO 提供的練習紙上測試，最黑處約為180，最亮處約為 920，紅灰測試塊的灰色約為480。而用原配的光感，最黑處約為35，最亮處約為55，紅灰測試塊的灰色約為 44。
我沒有在足球場地紙上試過，但根據這些數據可以初步推論：用于監測足球場地的灰度變化會比原來大有改善，而且，如果使用者有能力用C51編程的話，肯定會使足球水平大有提高。
如果將現在用于監測軌跡的反射采樣器換為檢測紅外球的采樣器，那么用在守門員或進攻機器人上，對找球將會有很大的好處，這樣RCX可以專注于策略。而且，用LEGO參加足球賽的學校也可以體現出水平了，因為傳感器的性能、功能可以根據自己的需要改變，而非統一提供的，大家指標差異有限。