基于单片机msp430的点光源跟踪系统硬件设计 毕业设计论文.doc

基于单片机msp430的点光源跟踪系统硬件设计设计总说明目前太阳能是一种清洁无污染的能源, 发展前景非常广阔, 太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题, 这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的, 没有充分利用太阳能资源, 发电效率低下。据实验, 在太阳能光发电中, 相同条件下, 采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中进行跟踪是十分必要的。本设计给出了一种基于单片机的点光源自动跟踪系统设计方案, 该设计使用ti公司的超低功耗的msp430f149 单片机作为整个系统的控制核心，主要由电机驱动模块，点光源检测模块，电源转换模块等模块组成。利用4路光敏三极管(3du33)来检测点光源的位置并将检测到的信号经过放大传给控制器msp430f149单片机，经过单片机的运算和处理来确定点光源的运动趋势，并将运算的控制信号传给两台步进电机，使其跟随点光源运动。当水平方向上的2路光敏三极管测量数值相对接近，同时竖直方向上的2路光敏三极管测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。同时将光敏三极管检测的信号显示在lcd液晶屏幕上。本设计可以扩展为以后的太阳能发电的自动跟踪系统。该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向, 结构简单、成本低, 而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置, 不必人工干预, 特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况, 有效地提高了太阳能的利用率, 有较好的推广应用价值。关键词：msp430；光源；跟踪；检测；传感器 第 35 页msp430 microcontroller-based point source tracking system hardware designdesign descriptioncurrently solar energy is a clean and pollution-free energy, the development prospects are very bright, solar power has become the worlds fastest-growing technology. but it also has intermittent, light direction and intensity of the problem change over time, which the collection and use of solar energy put forward higher requirements. at present, many solar arrays are basically fixed, do not make full use of solar energy resources, power generation efficiency is low. according to experiment, solar power, the same conditions, power generation equipment using automatic tracking equipment than the fixed power generating capacity increased by 35%, so to track utilization of solar energy is necessary. this design gives a light source based on single chip design of automatic tracking system, the design uses tis msp430f149 ultra-low power microcontroller controls the whole system as the core, mainly by the motor drive module, point source detection module, power supply conversion module and other modules. using 4 phototransistor (3du33) to detect the location of a point source is detected and amplified signal to pass the controller msp430f149 microcontroller, operation and processing through the mcu to determine trends in the movement of light source, and operation of the control signal transmission to two stepper motors, to follow the point source movement. when the horizontal direction, 2-way phototransistor relatively close to measured values, while 2-way vertical phototransistor on the measured values are relatively close, the sensor is located in the middle of the vertical laser pointer to point to the exact point of light. phototransistor detected the same time are shown on the lcd liquid crystal screen. this design can be extended automatically for subsequent sun tracking system. the system can not only automatically adjust the direction of sunlight solar panels toward the simple structure, low cost, but also in the process of tracking memory and can automatically correct the coordinates of the location at different times, without human intervention, especially for more complex and non-weather people on duty, effectively improving the utilization of solar energy, has a higher value. key words: msp430; light source; tracking; detection; sensor目录1绪论12点光源跟踪系统硬件设计22.1系统设计概述22.2方案论证与比较32.2.1主控芯片的选择32.2.2电机的选择42.2.3电机驱动的选择42.2.4传感器的选择42.2.5 lcd液晶显示器的选择52.3系统硬件设计52.3.1硬件方框图52.3.2单片机msp43062.3.3步进电机82.3.4液晶显示器102.3.5信号放大器142.4硬件电路图设计142.4.1电源转换电路设计142.4.2信号检测电路设计152.4.3步进电机驱动电路设计152.4.4键盘设计162.4.5液晶显示器的设计162.4.6系统原理图173印刷电路图的绘制183.1 pcb图绘制的准备183.2 pcb的绘制184仿真步进电机的控制194.1硬件仿真194.1.1方案设计194.1.2硬件仿真原理194.2软件仿真224.2.1程序流程图224.2.3源程序224.3系统调试和结果分析234.3.1电机正转运行234.3.2电机反转运行244.3.3仿真结果与分析245总结25致谢26参考文献27附 录281绪论 该设计采用ti公司的超低功耗的msp430f149 单片 机作为整个系统的核心，主要由电机驱动模块，点光源检测模块，电源转换模块等模块组成。利用4路光敏三极管(3du33)来检测点光源的位置并将检测到的信号经过放大传给控制器msp430f149单片机，经过单片机的运算和处理来确定点光源的运动趋势，并将运算的控制信号传给两台步进电机，使其跟随点光源运动。当水平方向上的2路光敏三极管测量数值相对接近，同时竖直方向上的2路光敏三极管测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。同时将光敏三极管检测的信号显示在lcd液晶屏幕上。本系统可以扩展为以后的太阳的跟踪。太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。据实验，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中，进行跟踪是十分必要的。本文给出一种基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案，该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向，结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值。2点光源跟踪系统硬件设计2.1系统设计概述本设计是一个点光源追踪系统，主要由传感器来对光照检测与处理，控制器分析与处理，执行机构运行和模块显示这几个部分构成。整个系统是以单片机为控制核心，通过四个光敏传感器来检测光照，依据光照度的变化、大小来判断出点光源的位置与运动趋势，并将点光源运动分解为水平和竖直方向的二维运动，借以来控制水平电机与竖直电机的旋转角度。当水平方向上的两传感器的测量数值相对接近，同时竖直方向上的两传感器的测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。本系统是有控制核心的单片机对传感器检测的光源的信号进行分析和处理然后控制电机，使其跟随点光源移动。达到跟踪点光源的目的。系统的硬件主要有控制器单片机，电机驱动模块，点光源检测模块，显示模块，键盘，电源转换模块等模块组成的。具体方框图如图2-1所示。图2-1 系统方框图2.2方案论证与比较2.2.1主控芯片的选择根据本题的要求，整个系统中必须要有一个主控芯片来处理数据和控制操作，主要考虑以下两种方案：方案一：msp430f149系列单片机。16位低功耗单片机，性能良好。msp430有以下优点：（1）低电源电压范围：1.8-3.6v。（2）超低功耗：拥有5种低功耗模式(lpm0-lpm4)。（3）灵活的时钟使用模式。（4）高速的运算能力：16位risc架构，125ns指令周期。（5）丰富的功能模块：这些功能模块包括 a 多通道1014位ad转换器；b 双路12位da转换器；c 比较器；d 液晶驱动器；e 电源电压检测；f 串行口usart(uart/spi）；g 硬件乘法器；h 看门狗定时器，多个16位、8位定时器（可进行捕获，比较，pwm输出）；i dma控制器。（6）flash存储器：采用先下载程序到flash内，再在器件内通过软件控制程序的运行；（7）msp430芯片上包括jtag接口：仿真调试通过一个简单的jtag接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、读写寄存器等调试；（8）快速灵活的变成方式：可通过jtag和bsl两种方式向cpu内装在程序。方案二：at89c51系列作为光源跟踪系统的主控芯片。通过上面的比较本系统选取msp430系列msp430f149单片机作为控制器，msp430f149的稳定性很好且功能要比c51系列的强大的多，所以选取方案一。2.2.2电机的选择本系统电机的主要作用是调整激光笔的位置，指向点光源，可选取的类型如下方案：方案一：步进电机。在非超载的情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。每给一次脉冲信号，电机能够转过一个步距角。方案二：直流减速电机。此电机在正常通电状态下，转速平稳，角度的变化也近乎连续，控制简单方便。根据设计的要求可知，直流减速电机存在的明显缺陷速度不容易控制，而步进电机的控制和实现是相对简单一些。因而选用方案一。2.2.3电机驱动的选择本系统中选的是步进电机，步进电机驱动有一下三种方案可选择：方案一：采用功率三极管作为功率放大器的控制步进电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，但是电路比较复杂。方案二：采用由达林顿晶体管阵列uln2003。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。单驱动能力比较弱。方案三：采用恒压桥式驱动芯片l298n。驱动能力强，电路简单，使用方便。故选择此方案。2.2.4传感器的选择本系统的传感器主要是检测光照度，可考虑的传感器如下列方案：方案一：光敏电阻。从光照特性来看，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降，可以反映光照的变化，但该特性大多数情况为非线性，部分光照区间内，特性变化不灵敏。方案二：硅光电池。硅光电池是一种直接把光能转换为电能的半导体器件，根据硅光电池光照强度曲线特性可知：硅光电池的开路电压或短路电流与光强呈很好的线性关系。方案三：光敏二极管。光敏二极管具有单向导电性，无光照时，有很小的暗电流，当受到光照时，光电流随射光强度的变化而变化。方案四：光敏三极管。光敏三极管灵敏度远高于光电池,但受外界环境影响飘动比较严重,用两个光敏三极管采集点光源两侧的光强差,可以有效消除外界环境光的干扰.光敏三极管接收面不仅小而且是一个有聚光功能的透镜,更容易确定点光源的位置。用四个光敏三极管组成四象限感光面，上下左右各一个光敏三极管。在测试光敏电阻与硅光电池时，发现光源的距离限制了两者的应用范围。当距离比较大时，两者的灵敏度大大降低。经实践测定，光敏二级管与光敏三极管满足要求，但在反映速度，及变化的灵敏、快速性方面，光敏三极管更胜一筹，因此传感器选择方案四。2.2.5 lcd液晶显示器的选择本系统lcd显示器主要显示的是传感器检测到的信号，可选用以下方案：方案一：fyd12864-0402b是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ascii字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。2.3系统硬件设计2.3.1硬件方框图本系统最终以msp430f149作为控制器，用光敏三极管做检测元件，通过控制步进电动机来使激光笔指向点光源。系统方框图如下图2-2所示：图2-2 系统硬件方框图2.3.2单片机msp430本系统中我们选的是msp430系列单片机下面介绍一下msp430系列单片机：msp430系列单片机是美国德州仪器(ti)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(mixed signal processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，从而使得用一片msp430 芯片可以完成多片芯片才能完成的功能，大大缩小了产品的体积与成本。如今，msp430单片机已经用于各个领域，尤其是仪器仪表、监测、医疗器械以及汽车电子等领域。1.msp430系列单片机的主要特点：（1）低电源电压范围，1.83.6v。（2）超低功耗，拥有5种低功耗模式(以后会详细介绍)。（3）灵活的时钟使用模式。（4）高速的运算能力，16位risc架构，125ns指令周期。（5）丰富的功能模块，这些功能模块包括：a：多通道1014位ad转换器；b：双路12位da转换器；c：比较器；d：液晶驱动器；e：电源电压检测；f：串行口usart(uart/spi）；g：硬件乘法器；h：看门狗定时器，多个16位、8位定时器（可进行捕获，比较，pwm输出）；i：dma控制器。（6）flash存储器，采用先下载程序到flash内，再在器件内通过软件控制程序的运行；（7）msp430芯片上包括jtag接口，仿真调试通过一个简单的jtag接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、读写寄存器等调试；（8）快速灵活的变成方式，可通过jtag和bsl两种方式向cpu内装在程序。2.msp430单片机的复位msp430的复位信号有2种：上电复位信号（por）、上电清除信号（puc）。还有能够触发por和puc的信号：5种来在看门狗，1种来自复位管脚，1种来自写flash键值出现错误所产生的信号。por信号只在2种情况下发生：（1）微处理上电；（2）rst/nmi管脚上产生低电平时系统复位。puc信号产生的条件：（1）por信号产生；（2）看门狗有效时，看门狗定时器溢出；（3）写看门狗定时器安全键值出现错误；（4）写flash存储器安全键值出现错误。por和puc两者的关系：por信号的产生会导致系统复位并产生puc信号。而puc信号不会引起por信号的产生。无论是por信号还是puc信号触发的复位，都会使msp430从地址0xfffe处读取复位中断向量，程序从中断向量所指的地址处开始执行。触发puc信号的条件中，除了por产生触发puc信号外，其他的豆科一通过读取相应的中断向量来判断是何种原因引起的puc信号，以便作出相应的处理。系统复位（指por）后的状态为：（1）rst/nmi管脚功能被设置为复位功能；（2）所有i/o管脚被设置为输入；（3）外围模块被初始化，其寄存器值为相关手册上的默认值；（4）状态寄存器sr复位；（5）看门狗激活，进入工作模式；（6）程序计数器pc载入0xfffe处的地址，微处理器从此地址开始执行程序。典型的复位电路有一下3种：（1）在rst/nmi管脚上接100k欧的上拉电阻。（2）在（1）的基础上再接0.1uf的电容，电容的一端接地，可以使复位更加可靠。（3）再（2）的基础上，再在电阻上并接一个型号为in4008的二极管，可以可靠的实现系统断电后立即上电。3.msp430单片机的时钟系统msp430根据型号的不同最多可以选择使用3个振荡器。我们可以根据需要选择合适的振荡频率，并可以在不需要时随时关闭振荡器，以节省功耗。这3个振荡器分别为：（1）dco 数控rc振荡器。它在芯片内部，不用时可以关闭。dco的振荡频率会受周围环境温度和msp430工作电压的影响，且同一型号的芯片所产生的频率也不相同。但dco的调节功能可以改善它的性能，他的调节分为以下3步：a：选择bcsctl1.rselx确定时钟的标称频率；b：选择dcoctl.dcox在标称频率基础上分段粗调；c：选择dcoctl.modx的值进行细调。（2）lfxt1 接低频振荡器。典型为接32768hz的时钟振荡器，此时振荡器不需要接负载电容。也可以接450khz8mhz的标准晶体振荡器，此时需要接负载电容。（3）xt2 接450khz8mhz的标准晶体振荡器。此时需要接负载电容，不用时可以关闭。低频振荡器主要用来降低能量消耗，如使用电池供电的系统，高频振荡器用来对事件做出快速反应或者供cpu进行大量运算。4.msp430的3种时钟信号：mclk系统主时钟；smclk系统子时钟；aclk辅助时钟。（1）mclk 系统主时钟。除了cpu运算使用此时钟以外，外围模块也可以使用。mclk可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。（2）smclk 系统子时钟。供外围模块使用。并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。smclk可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。（3）aclk 辅助时钟。供外围模块使用。并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。但aclk只能由lfxt1进行1、2、4、8分频作为信号源。puc复位后，mclk和smclk的信号源为dco，dco的振荡频率为800khz。aclk的信号源为lfxt1。msp430内部含有晶体振荡器失效监测电路，监测lfxt1（工作在高频模式）和xt2输出的时钟信号。当时钟信号丢失50us时，监测电路捕捉到振荡器失效。如果mclk信号来自lfxt1或者xt2，那么msp430自动把mclk的信号切换为dco，这样可以保证程序继续运行。但msp430不对工作在低频模式的lfxt1进行监测。5.低功耗模式超低功耗 msp430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先， msp430 系列单片机的电源电压采用的是 1.8-3.6v 电压。因而可使其在 1mhz 的时钟条件下运行时， 芯片的电流会在 200-400ua 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1ua 。 其次，独特的时钟系统设计。在 msp430 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（ fll 和 fll+ ）时钟系统或 dco 数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（ 32768hz ），有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生 cpu 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（ am ）和五种低功耗模式（ lpm0-lpm4 ）。在等待方式下，耗电为 0.7ua，在节电方式下，最低可达 0.1ua 。2.3.3步进电机本系统中步进电机的主要作用是调整激光笔的位置，指向点光源。我们选的是两相混合式步进电机，型号是56byg250b-0241，步距角0.9/1.8度，相电流2.4a，保持转矩0.65n*m，转动惯量180g*cm，重量0.48kg，外形尺寸（56*56*45）mm。本系统中我们选用的是l298n驱动芯片，l298n是st公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46v；输出电流大，瞬间峰值电流可达3a，持续工作电流为2a；额定功率25w。内含两个h桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用l298n芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。1.步进电机的控制步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称vr）、永磁式步进电机（简称pm）和混合式步进电机（简称hb）。（1）两相四拍的工作模式时序图（如表2-1所示）：表2-1 两相四拍的工作模式时序图步进电机信号输入第一步第二步第三步第四步返回第一步正转in10111返回in21011返回in31101返回in41110返回反转in11110返回in21101返回in31011返回in40111返回（2）控制换相顺序两相四线步进电机的四拍工作方式，其各相通电顺序为(a-b-ab)依次循环。两相四线步进电机的八拍工作方式，其各相通电顺序为:(aabbbaaab-bba)。（3）控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。（4）控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。（注意：如果脉冲频率的速度大于了电机的反应速度，那么步进电机将会出现失步现象）。2.直流电机的控制使用直流/步进两用驱动器可以驱动两台直流电机。分别为m1和m2。引脚a，b可用于输入pwm脉宽调制信号对电机进行调速控制。（如果无须调速可将两引脚接5v，使电机工作在最高速状态，既将短接帽短接）实现电机正反转就更容易了，输入信号端in1接高电平输入端in2接低电平，电机m1正转。（如果信号端in1接低电平， in2接高电平，电机m1反转。）控制另一台电机是同样的方式，输入信号端in3接高电平，输入端in4接低电平，电机m2正转。（反之则反转），pwm信号端a控制m1调速，pwm信号端b控制m2调速。可参考下表2-2：表2-2 驱动两台直流电机控制信号电机旋转方式控制端in1控制端in2控制端in3控制端in4输入pwm信号改变脉宽可调速调速端a调速端bm1正转高低/高/反转低高/高/停止低低/高/m2正转/高低/高反转/低高/高停止低低/高2.3.4液晶显示器本系统中显示器是用来显示光敏三极管检测到的信号，是需要显示汉字的。所以我们选用的是lcd液晶显示器，型号：fyd12864-0402b。fyd12864-0402b是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ascii字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。1.基本特性:（1）低电源电压（vdd:+3.0-+5.5v）（2）显示分辨率:12864点（3）内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选)（4）内置 128个168点阵字符（5）2mhz时钟频率（6）显示方式：stn、半透、正显（7）驱动方式：1/32duty，1/5bias（8）背光方式：侧部高亮白色led，功耗仅为普通led的1/5-1/10（9）通讯方式：串行、并口可选（10）内置dc-dc转换电路，无需外加负压（11）无需片选信号，简化软件设计（12）工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +602.并行接口引脚说明（如表2-3所示）表2-3 并行接口引脚说明管脚号管脚名称电平管脚功能描述1vss0v电源地2vcc3.0+5v电源正3v0-对比度（亮度）调整4rs(cs）h/lrs=“h”,表示db7-db0为显示数据rs=“l”,表示db7-db0为显示指令数据5r/w(sid)h/lr/w=“h”,e=“h”,数据被读到db7-db0r/w=“l”,e=“hl”, db7-db0的数据被写到ir或dr6e(sclk)h/l使能信号7db0h/l三态数据线8db1h/l三态数据线9db2h/l三态数据线10db3h/l三态数据线11db4h/l三态数据线12db5h/l三态数据线13db6h/l三态数据线14db7h/l三态数据线15psbh/lh：8位或4位并口方式，l：串口方式（见注释1）16nc-空脚17/reseth/l复位端，低电平有效（见注释2）18vout-lcd驱动电压输出端19avdd背光源正端（+5v）（见注释3）20kvss背光源负端（见注释3）*注释1：如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将psb接固定高电平，也可以将模块上的j8和“vcc”用焊锡短接。*注释2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。 *注释3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的ja、jk用焊锡短接。3.控制器接口信号说明（1）rs，r/w的配合选择决定控制界面的4种模式（如表2-4所示）：表2-4 四种模式rsr/w功能说明llmpu写指令到指令暂存器（ir）lh读出忙标志（bf）及地址记数器（ac）的状态hlmpu写入数据到数据暂存器（dr）hhmpu从数据暂存器（dr）中读出数据（2）e信号（如表2-5所示）表2-5 e信号e状态执行动作结果高低i/o缓冲dr配合/w进行写数据或指令高dri/o缓冲配合r进行读数据或指令低/低高无动作 忙标志:bfbf标志提供内部工作情况.bf=1表示模块在进行内部操作,此时模块不接受外部指令和数据.bf=0时,模块为准备状态,随时可接受外部指令和数据。利用status rd 指令,可以将bf读到db7总线,从而检验模块之工作状态。字型产生rom（cgrom） 字型产生rom（cgrom）提供8192个此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。dff=1为开显示（display on),ddram 的内容就显示在屏幕上，dff=0为关显示（display off)。 dff 的状态是指令display on/off和rst信号控制的。显示数据ram（ddram）模块内部显示数据ram提供642个位元组的空间，最多可控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示数据ram时，可分别显示cgrom与cgram的字型；此模块可显示三种字型，分别是半角英数字型(16*8)、cgram字型及cgrom的中文字型，三种字型的选择，由在ddram中写入的编码选择，在0000h-0006h的编码中（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）将选择cgram的自定义字型，02h-7fh的编码中将选择半角英数字的字型，至于a1以上的编码将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码形成中文字型的编码big5（a140-d75f），gb（a1a0-f7ffh）。 字型产生ram(cgram) 字型产生ram提供图象定义(造字)功能, 可以提供四组1616点的自定义图象空间，使用者可以将内部字型没有提供的图象字型自行定义到cgram中，便可和cgrom中的定义一样地通过ddram显示在屏幕中。地址计数器ac地址计数器是用来贮存ddram/cgram之一的地址,它可由设定指令暂存器来改变，之后只要读取或是写入ddram/cgram的值时，地址计数器的值就会自动加一，当rs为“0”时而r/w为“1”时，地址计数器的值会被读取到db6-db0中。光标/闪烁控制电路该模块提供硬体光标及闪烁控制电路，由地址计数器的值来指定ddram中的光标或闪烁位置。2.3.5信号放大器因为传感器检测到的信号是比较微弱的，单片机不好处理，为了是单片机很好更方便的处理检测到的微弱信号，我们需要将其放大然后送给单片机处理。在本系统中我们选择的是信号放大器lm324。lm324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图2-8所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“v+”、“v-”为正、负电源端，“vo”为输出端。两个信号输入端中，vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端vo的信号与该输入端的相位相反；vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端vo的信号与该输入端的相位相同。lm324的引脚排列见图2-9。图2-3 运算放大器 图2-4 lm324引脚图由于lm324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。2.4硬件电路图设计2.4.1电源转换电路设计本系统中用的电压有+12v，+5v，+3v。所以我们用下面的转换电路为系统各元件提供电源。电路图如下图2-3所示。图2-5 电源转换电路2.4.2信号检测电路设计3du33采集到光信号后，使整个电路导通，再通过运算放大器将微弱的电流信号放大，从而使单片机msp40f149更好的处理信号。图中的r1为偏执电阻，可以调解工作点及稳定电路。3du33,在正常室内关照下，电流为微安级，选择15k的偏置电阻，放大十一倍后送至a/d。电路图如下图2-4所示：图2-6 信号采集电路2.4.3步进电机驱动电路设计为了构造完美的跟踪系统，本次设计应用了两个步进电机来配合跟踪系统工作。其驱动电机电路如下图2-5所示图2-7 步进电机驱动电路基本原理作用如下：(1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为a-b-cd,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制a,b,c，d相的通断。(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。该电路采用恒压桥式驱动芯片l298n。l298n芯片可以驱动一个四相电机输出电压可高达50v，可以直接通过电源来调节输出电压。桥式整流电路虽然用了四肢二极管，但却克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点。2.4.4键盘设计本系统中键盘的作用是调整。如果点光源不在光敏三极管检测的范围就不能检测点光源的光照，所以需要手动调整步进电机使其寻找到点光源。键盘就在这个过程中应用。电路图如下图2-6所示：图2-8 键盘电路2.4.5液晶显示器的设计本系统中显示器主要是用来显示光敏三极管检测到的信号，给操作人员在手动调整过程和自动跟踪过程提供参考的作用。选用了lcd液晶显示器型号为fyd12864-0402b。电路图如下图2-7所示：图2-9 lcd液晶显示电路2.4.6系统原理图本系统是有控制核心的msp430f149单片机对光敏三极管检测的光源的信号进行分析和处理然后控制步进电机，使其跟随点光源移动。达到跟踪点光源的目的。系统的硬件主要有控制器msp430f149单片机，电机驱动模块，点光源检测模块，显示模块，键盘，电源转换模块等模块组成的。原理图见附录一。3印刷电路图的绘制3.1 pcb图绘制的准备绘制原理图，并且生成对应的网络表。手工更改网络表将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上。将一些原理图和pcb封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和pcb封装库中的一致。然后画出自己定义的非标准器件的封装库。在原理图中确认每一个元件的封装是正确。3.2 pcb的绘制在protel中新建一个pcb项目，在新建一个pcb文档。将新建的pcb文档和原理图都添加在pcb项目当中去，然后保存。接下来就将原理图中的元件封装全部导入pcb文档中，在就是合理的布置各个元件的位置并进行自动布线。然后检查线路连接的是否正确，如果有不正确的或者有没有连接上的话就重新调整位置在进行自动布线。最后如果还是有问题的还我们就采用手动连接线路。下面是我绘制的pcb图如图3-1所示（大图见附录2）图3-1 印刷电路图4仿真步进电机的控制单片机以其较小的体积、低成本、高可靠性、高附加值等优点实现了过去一个很复杂的电路所能实现的功能，因而被广泛的应用，也取代了经典的控制系统；步进电机是一种将电脉冲转变为角位移的执行机构，可通过控制脉冲数来控制角位移量，从而达到准确的定位目的，也可通过控制脉冲的频率来控制电机的转速和加速度；本系统中通过proteus的单片机仿真来实现其功能，并且能够在仿真中看见十分近似于真实的结果。本系统通过对步进电机的软件设计和硬件设计包括步进电机的结构、原理及应用，根据原理和硬件的设计利用c语言编写程序，经过反复运行和调试，实现单片机对步进电机的控制。由于在proteus7.7当中没有本设计选用的单片机msp430f149，经过网上的一些了解得知本软件不能仿真msp430f149单片机的系统，所以我们采用了比较常用功能相对强大的单片机at89c51作为核心控制器来仿真步进电机的控制，也能达到仿真的效果。4.1硬件仿真 4.1.1方案设计基于单片机和proteus的步进电机控制电路的基本组成如图4-1所示。步进电机控制台单片机lcd显示器图4-1 基于单片机和proteus的步进电机控制电路的原理框图根据设计要求，采用的方案如下。硬件部分实现电机转动和速度显示功能，包括控制开关模块；电机转动模块和速度显示模块。软件部分实现对步进电机的控制功能，主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电机的转动，由电机反馈回来的数据经单片机控制显示器显示数据。4.1.2硬件仿真原理步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1 步进电机模块（如图4-2所示）：图4-2 步进电机功能：单片机输出的程序通过转换器和电机驱动器给步进电机一个脉冲信号，使步进电机实现正转与反转。2控制模块(如图4-3所示)：图4-3 控制模块功能：通过控制台实现对单片机程序的开与关。3 lcd显示模块(如图4-4所示)：图4-4 lcd显示器功能：通过单片机输出的电机反馈信号使lcd显示器显示出步进电机的转动状态。4.2软件仿真4.2.1程序流程图 以驱动两相双极步进电机42byg228为例。编写步进电机驱动程序。依据图2驱动电路，及电机特性，给出流程图，就可以方便地写出单片机控制步进电机的驱动程序。（如图4-5所示）开始按键判断按键if(p3_5=0)if(p3_6=0)if(p3_7=0)if(p3_0=0)if(p3_1=0)正转加速反转停止减速显示转动方式图4-5 程序流程4.2.3源程序（见附录3）4.3系统调试和结果分析4.3.1电机正转运行图4-7 电机正转结果图电机正转显示cw4.3.2电机反转运行图4-8 电机反转结果图电机正转显示ccw4.3.3仿真结果与分析本设计采用51单片机at89c51（晶振频率为12mhz）对两相四线制步进电机进行控制。通过i/o口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片l298驱动步进电机。可以通过按键来对步进电机进行正转，反转及转速的控制。通过正反转按键可以使步进电机正转并在了lcd上显示当前的转速和转动方向（正转：cw;反转：ccw）。设计的步进电机基本能实现预期目标，经过调试和修改，但还是存在问题，比如按开关的时候会出现不稳定情况，转速有时比较乱，显示有时也有些不理想，后面的工作就是在软件和硬件等方面进行修改，以完全达到预期目标。5总结本设计方案是基于msp430f149单片机的点光源的跟踪系统，光敏三极管检测到的信号经