一等奖报告点光源跟踪系统B题324701

1、点光源跟踪系统摘要 本设计以MSP430F149单片机为控制核心，以恒流LED驱动芯片TPS61062作为LED的驱动，利用OPA820芯片作为加法器来帮助调节LED电流，设计并制作了能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统。系统的主电路是由7个光敏三极管组成的传感器接收电路，将该传感器接收电路与舵机固定，通过单片机控制舵机旋转来调整传感器接收电路的转动角度，从而跟随点光源的移动而转动。本文对目标识别与跟踪技术进行了分析，详细讨论了光敏三极管在特定目标光源的扫描、追踪中的具体实现方法以及点光源跟踪系统的软硬件设计,最终实现了点光源跟踪的目标。关键字 MSP430 TPS61062 OPA820

2、光电传感器 光源跟踪 一、 方案论证与比较根据题目要求分以下几部分进行方案设计与论证： 脉宽调制PWM产生电路方案选择方案一：采用如下图1电路，由74HC04反相器和X1(2MHZ)构成晶体振荡电路，74HC190(1)和74HCl90(2)将2MHZ进行100分频得到需要的20KHZ的时钟频率。74HC190(2)每输出100个时钟脉冲触发一次双稳多谐振荡器74HC74。复位的办法是用比较器74HC85(1)和74HC85(2)进行设定，若达到占空比设定值，则时钟脉冲停止计数，电路复位，74H04输出具有与设定值相等的占空比波形，波形分辨率为1%。图1 高精度PWM波产生电路方案二：采用传统

3、的方法通过大量的分立元件来产生PWM波，所产生的脉冲频率和宽度往往不是很准确,很难做到对舵机的精确控制。MSP430系列单片机拥有业界最低功耗，具有性能稳定、编程灵活、精度较高等特点,且用单片机产生PWM波在实际中得到了广泛的应用。所以本设计采用MSP430单片机来产生PWM波形。 控制电机的选择 方案一：采用直流电机驱动。直流电机是输出或输入为直流电能的旋转电机。用它带动激光笔可以减少单片机端口资源的利用；电机控制方法简单，不需要程序设定旋转方向，由硬件自动实现光源精确定位。但是直流电机不易受单片机控制，想固定旋转角度比较困难。方案二：采用步进电机驱动。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线

4、位移的开环控制元步进电机件。有较好的位置精度和运动的重复性，优秀的启停和反转效应，速度正比于脉冲频率，因而有较高的转速范围，缺点是控制不当容易产生共振，难以达到较高的速度。且步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。方案三：采用舵机驱动。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。具有良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，减速效率可达90%以上，高精确位置控制。舵机可以在微电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易实现与之接通。而且

5、舵机不需要任何控制系统，只需与单片机相连即可达到设计需要。故采用方案三作为传感器控制电机方案。1.3 中心位置检测方案选择方案一：由光敏元件检测中心线处的光源强度，实现光电转换，通过AD采样，检测电压的变化，算法实现光源立体坐标的检测。此方案运用软硬结合的方法可以检测出光强的微小变化，硬件电路和算法都比较简单。方案二：硅光电池检测中心线处的光源强度，实现光电转换，通过电压比较器检测电压的微小变化。处理过程基本由硬件完成，软件简单，调试过程复杂。综合以上选择方案一来检测中心位置。由于光敏三极管对光线的检测比光敏二极管和光敏电阻要高得多，它把光信号转变成电信号的同时，还放大了信号电流。光敏二极管和

6、光敏电阻都没有对光电流进行放大。光敏三极管相当于在光敏二极管的基础上再增加了一个放大三极管，灵敏度要高于光敏二极管，能够根据光线的强弱控制电流的大小，同时它的稳定性高。因此，本设计选用光敏三极管作为检测元件能够根据光线的强弱控制电流的大小，同时它的稳定性高。1.4 系统总体方案本系统由两大部分构成：光源和光源跟踪模块。总体框图如图3所示光源由LED和LED驱动电路组成，LED驱动电路主要由TI的TPS61062芯片组成，通过改变滑动变阻器的阻值大小，来改变LED电流的大小，使电流能在150mA350mA的范围内调节。光源跟踪系统由单片机、舵机、传感器电路、激光笔组成。当点光源移动时，传感器中心

7、的光敏三极管检测到中心线上的光源强度发生改变， 通过AD采样送给MSP430单片机，经过单片机数据处理后，控制舵机的转动角度，使 激光笔始终指向点光源，即达到跟踪点光源的作用。图3 系统总体框图二、 理论分析与计算本设计采用TI公司的TPS61062升压变换器来驱动白光，其典型电路如图4所示。图4所示所示的升压变换器是IC技术的最新开发成果之一。作为全面集成的同步升压变换器，它无须外接肖特基二极管就能够达到尺寸最小的目的，所需的外部组建数量小。 对该电路进行分析并实际测试可得，改变Rs的阻值可调节LED的电流。但要控制LED电流在150350 mA之间，Rs两端功率达到23W,一般电位器难达到

8、要求。 此时可加一个加法器OPA820，保持Rs=10欧，通过改变电位器R的值来改变LED的电流。经改动后的电路见附录2。图4 典型LED驱动电路 三、 电路与程序设计3.1 光源模块电路光源模块主要由1W白光LED及其驱动电路构成。主要构成器件是TI公司的LED驱动芯片TPS61062、电压反馈运算放大器 OPA820。电路图见附录2。3.2光源跟踪模块电路光源跟踪模块主要由MSP430单片机、舵机、传感器、激光笔四部分组成。0Q6，激光笔与中心的光敏三极管Q3方向保持一致，用于指示是否对准远处的点光源。程序（见附录）开始运行，首先检测每个光敏三极管的电压值，比较Q3左右两边三个管电压之和并

9、确定哪个管电压最小，先进行粗调。粗调过后，再对Q2、Q4电压进行比较，进行细调，即达到调整激光笔对准点光源。具体程序流程图见图7所示。传感器电路由7个光敏三极管组成，实际操作发现光敏三极管在不同环境感应出来的值有很大差别，特别是受外界光照影响比较明显。为确保单片机能捕捉到传感器的电压变化，在每个光敏三极管发射极加一个普通三极管。单个光敏三极管接收光线的电路如图5 图5所示 。Q8为三极管C9013, 能 对光敏三极管的电流起扩大作用，利于单片机捕捉光敏三极管的变化。整个传感器电路图见附录3。图6 七个光敏三极管的摆法 图7 光源检测程序流程图四、 系统测试与分析4.1所用测量工具，如表一所示表

10、1 测量工具测量仪器型号直流稳压电源DF1731SLL3A万用表UNI-T三角板、直尺4.2 测试方法和结果表2 激光笔距离点光源2m且指向点光源时各光敏三极管的采样电压光敏三极管Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6采样电压表3 激光笔调离点光源中心后重新指向点光源所需时间及偏离误差激光笔光点调离点光源中心的距离指向点光源所需时间偏离误差20cm1 .1cm25cm30cm 35cm7.0S表4 将光源支架沿着圆周缓慢旋转一定角度，激光笔重新移向光源所需时间移动角度所需时间10度20度表5 改变点光源亮度同时光源支架沿着直线LM缓慢移动60cm时，激光笔指向光源所需时间LED电流变化所需时间-50mA

11、-25 mA25 mA50 mA五、总结 本光源跟踪系统实现了点光源的位置检测和指示。为降低系统功耗，系统采用低功耗的MSP430F149单片机，通过单片机程序控制舵机转动的角度，从而控制传感器跟踪点光源，并通过激光笔来指示方向。当移动激光笔光点偏离点光源时，传感器能够在5S左右的时间调整方向使光点重新指向点光源；对于不同的LED亮度，移动光源支架，传感器能缓慢跟踪点光源转动；转动光源支架使纸板旋转一定角度，传感器也能检测到光照强度的变化并跟踪点光源转动，最终使激光笔光点基本对准点光源。参考文献【1】【2】【3】附录1：部分主程序void main( void ) WDTCTL = WDTPW

12、+WDTHOLD; /IE1 |= WDTIE; InitClock();/推荐选择 int_pwm(); init_adc12(); duoji_cutiao(0); TestDriver(); for(;) xx0=ADvalue(0); xx1=ADvalue(1); xx2=ADvalue(2); xx3=ADvalue(3); xx4=ADvalue(4); xx5=ADvalue(5); xx6=ADvalue(6);/判别 int i,j,t; unsigned int AD_zhi7,AD7; for(i=0;i<=6;i+) AD_zhii=ADvalue(i);ADi

13、=ADvalue(i); for(j=0;j<6;j+) for(i=0;i<6-j;i+) if(AD_zhii>AD_zhii+1) t=AD_zhii;AD_zhii=AD_zhii+1;AD_zhii+1=t; x=AD_zhi0;/返回最AD采集的最小值 for(i=0;i<=6;i+)if(ADi=x)y=i;/判别 zuobian=AD0+AD1+AD2; youbian=AD4+AD5+AD6;/控制部分 /- if(y=0&&(zuobian<youbian) k0=k0+0.15;duoji_xitiao(k0);if(k0&g

14、t;=1.3) k0=0; else if(y=1&&(zuobian<youbian) k1=k1+0.15;duoji_xitiao(k1);if(k1>=1.3) k1=0; else if(y=2&&(zuobian<youbian) k2=k2+0.15;duoji_xitiao(k2);if(k2>=1.3) k2=0; /- else if(y=4&&(youbian<zuobian) k4=k4-0.15;duoji_xitiao(k4);if(k4>=1.3) k4=0; else if(y=5&&(youbian<zuobian) k5=k5-0.15;duoji_xitiao(k5);if(k5>=1.3) k5=0; else if(y=6&&(youbian<zuobian) k6=k6-0.15;duoji_xitiao