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1、点光源跟踪系统摘要：本设计制作了一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统，通过让四个方向上的光敏三极管采集光强程度，经过比较给超低功耗MSP430单片机光源位置信息，经单片机控制直流电机驱动芯片L298改变两个垂直方向上的直流电机转向及转速，从而控制激光笔指向。而大功率白炽灯由恒流源电路驱动，并可以通过改变输入电压改变恒流源的电流大小。经验证，该设计完成了全部基础功能及部分发挥功能。关键词：恒流源，光感元件，直流电机，单片机控制一 系统设计方案论证下面就光源部分的选择和系统控制等关键模块的设计方案进行讨论与分析1.1 方案论证与选择 1.1.1 光源信号采集方案一：采用光敏电阻，光敏电阻结构
2、简单，敏感度高，稳定性高且体积小；但光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，响应时间太长，温度特性较差。方案二：可选用光电二极管，利用PN结受光照射产生正向电压的原理作为感光器件，由于光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测光源特性，另外它还具有响应速度快，较高的灵敏度，良好的温度稳定性和低工作电压等优点；但输出电流太小。方案三：选用光电三极管，它通频带较宽，性能不如光电二极管稳定，但灵敏度高，响应速度快，本设计选用光电三极管。1.1.2 光源信号处理先对光电三极管采集到的小电流信号进行放大处理，对上下和左右信号分别比较送入单片机进行AD转换及数据处理。1.1.3 直流电机及驱动使用L298电机驱动电
3、路对电机进行驱动。方案一：通过控制步进电机转动控制激光笔转动方向，步进电机是一种将电脉冲转化为不连续的机械运动的机电装置。当施加适当的电脉冲指令时，电机转子的出轴或外转子将会以不连续的步进增量旋转。所加脉冲的顺序直接决定着电机转轴旋转的方向。电机转轴旋转的速度取决于所加脉冲的频率，而旋转的角度或者圈数和所加的脉冲数成正比。方案二：选用直流电机控制激光笔转动方向，直流电机是将直流电能转换为机械能的转动装置，电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。其调速性能好，调速范围宽，可以均匀地实现转速调节。本设计采用两个直流电机，通过单片机输出占空比可
4、调的PWM波给电机驱动电路带动直流电机进行旋转。1.1.4 大功率LED驱动电路采用恒流源电路对LED进行驱动，并可以实现通过调节输入电压调节电流大小的功能。1.2 系统整体的最终方案LED灯（光源）光电传感器单片机处理直流电机激光笔跟随显示LED驱动电路开始结束综合考虑以上各个模块的设计方案，点光源跟踪的系统结构框图如图1所示。图1 总体方框图二 系统软硬件设计和实现2.1 硬件电路器件选择与参数选择2.1.1 光源信号采集将四个光电三极管分别置于采集光源板的上下左右四个角上，电路连接如图2所示，在给定要求的光源下，当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生
5、了一个被放大的电流Ic（Ie（1）Ip）为电流放大倍数。光电三极管的电阻会根据放倍数的选择输出电压在一定范围与截至电压内与光照成正比上升。图2 光源采集电路2.1.2直流电机驱动与实现PWM调速装置是利用大功率品体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内接通和断开时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。L298是双 H桥高电压大电流功率集成电路，直接采用，TTL逻辑电平控制，可用来驱动直流电动机。它的驱动电压可达 46V，直流电流总和可达4A。其内部具有2个完全相同的 PWM功率放大回路
6、。由 L298构成的 PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式。12个H桥的下侧桥晶体管发射极连在一起，其输出脚1，15用来连接电流检测电阻。第9脚接逻辑控制部分的电源，常用+5V，第 4脚为电机驱动电源，本系统中为40V，第5，7，10，12脚输入标准，TTL逻辑电平，用来控制 H桥的开和关，第6，11脚则为使能控制端。当Vs=40V时，最高输出电压可达35V，连续电流可达2A。L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可以工作在更低的电压下。具体接线图如图3所示。图3 直流电机驱动电路2.1.3 L
7、ED驱动电路LED驱动电路不仅要求输出电流与输入电压具有线性关系，而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不超过允许值，即转换具有恒流性能。电路如图4所示，由一个运算放大器A和晶体三极管VT1，VT2组成。三极管VT1和VT2组成电流输出级，用来扩展电流。R3为电流反馈电阻，由于功率比较大用了4个10W电阻并联，RL为1W大功率LED灯。恒流源公式：图4 LED驱动电路从公式来看，输出电流Io仅与输入电压和电流反馈电阻R3有关，与负载电阻RL无关。2.2 软件设计方案软件控制原理图如图5所示：端口初始化LCD初始化ADC口初始化Timer-A初始化控制方向关闭看门狗开始结束采样完成数据相等
8、比较NNYYTimer-A初始化进入中断改变占空比Timer-A初始化关闭看门狗开始结束图5 单片机流程图三 测试数据与结果分析3.1 测试仪器（1）YB1732A 3A 双路跟踪稳压稳流电源（2）F120型数字合成函数信号发生器（3）SDS1102CFL双踪数字示波器（4）UT802四位数字万用表（5）MSP340单片机开发系统3.2 测试数据3.2.1 直流电机控制数据：单片机对直流电机的驱动数据如表1所示。表1 直流电机驱动信号电机旋转方向IN1IN2IN3IN4PWMAPWMBM1正向高电平低电平高电平反向低电平高电平高电平停止低电平低电平高电平M2正向高电平低电平高电平反向低电平高电
9、平高电平停止低电平低电平高电平3.2.2 跟踪数据记录：1、将激光笔光点调偏离点光源中心30cm时，激光笔移动记录如表2所示：表2 激光笔跟随记录记录次数激光笔光点偏离光源距离（cm）跟踪时间（s）跟踪前跟踪后130522306333082430742、在激光笔基本对准光源时，以A为圆心，将光源支架沿着圆周缓慢（1015秒内）平稳移动20（约60cm），激光笔移动记录如表3所示：表3 激光笔跟随记录记录次数激光笔光点偏离光源距离（cm）跟踪时间（s）跟踪前跟踪后160652607636063460843、在激光笔基本对准光源时，将光源支架沿着直线LM平稳缓慢移动60cm，激光笔是否能够连续跟踪
10、指向光源如表4所示：表4 激光笔跟随记录记录次数激光笔光点偏离光源距离（cm）能否连续跟踪160是260是360是460是3、将光源支架旋转一个角度（20）时，激光笔是否能够迅速指向光源如表5所示：表5 激光笔跟随记录记录次数激光笔光点偏离光源距离（）能否连续跟踪120是220是320是420是3.3 测试结果分析在光源采集过程中，如果加快信号的采集速度，灵敏度就会过高，在追寻光源的过程中就会更加晃动，稳定性较差；而减小信号采集速度时，反映速度就会有很大的影响，因此采集速度要与比较裕量调整到一个平衡点。四 设计结果总结作品达到了题目所有基本和部分扩展的功能和指标的要求：1、光源跟踪系统中的指向
11、激光笔可以通过现场设置参数的方法尽快指向点光源；2、将激光笔光点调偏离点光源中心30cm时，激光笔能够尽快指向点光源；3、在激光笔基本对准光源时，以A为圆心，将光源支架沿着圆周缓慢（1015秒内）平稳移动20（约60cm），激光笔能够连续跟踪指向LED点光源；4、在激光笔基本对准光源时，将光源支架沿着直线LM平稳缓慢移动60cm，激光笔能够连续跟踪指向光源；5、将光源支架旋转一个角度（20），激光笔能够迅速指向光源；五 测试问题及改进分析在光源采集模块中，光电三极管敏感度较高，在正常工作面照度的情况下就能达到33A，在负载电阻使用2.4kA的情况下输出电压值足以给单片机进行判断转向了，所以取消
12、了对电压的放大；而单片机只能输入0-3.3V正电压，而双极性仪表放大器不能直接将对光源比较后转换的电压信号给单片机，所以改进将四个光电三极管信号给单片机进行判断比较，同时也减少了一级的放大；在电机驱动电路中为了不让直流电机电流影响前级电路，采用光电耦合器件将所有的输入输出都与前级进行了完全隔离；大功率LED的驱动电路电流很高，电流反馈电阻如果只用1/4W的普通电阻无法承受极大的功率，所以改用四个电阻串联使用。六 参考文献1 黄争.德州仪器高性能模拟器件在高校中的应用及选型指南V2.0M，2010. 2 康华光.模拟电子技术基础M北京：高等教育出版社，2006.3 李希文，赵建，李智奇，白小平.传感器与信号调理技术M西安：西安电子科技大学出版社，2008.4 李先允.电力电子技术M北京：中国电力出版社，2006.5
