点光源跟踪系统设计与实现

点光源跟踪系统设计与实现
徐春燕;尹章专
【摘要】本设计使用MSP430单片机为控制器,用光敏电阻为光照强度检测器件,用单片机内部A/D转换器采集光强数据,用步进电机带动激光笔转动的硬件方案,配合软件算法,实现了在正常室内光照情况下对指定点光源的静止状态、沿圆周缓慢移动状态、沿直线移动状态的准确跟踪.同时,液晶显示屏实时显示了光源工作电流值以及光照强度对应的电信号的数字量,键盘能灵活切换全自动与手动控制模式对点光源的准确跟踪.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2017(024)010
【总页数】5页(P34-37,33)
【关键词】点光源;MSP430F149;光敏电阻;激光跟踪
【作者】徐春燕;尹章专
【作者单位】武昌首义学院电气工程及其自动化系,武汉 430064;武昌首义学院电气工程及其自动化系,武汉 430064
【正文语种】中文
【中图分类】TP20
设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统，系统示意图如图1所示。

光源B使用单只1W白光LED，固定在一支架上。

LED的电流能够在150mA～350mA的范围内调节。

初始状态下光源中心线与支架间的夹角θ约为
60°，光源距地面高约100cm，支架可以用手动方式沿着以A为圆心、半径r约173cm的圆周在不大于±45°的范围内移动，也可以沿直线LM移动。

在光源后
3cm距离内光源中心线垂直平面上设置一直径不小于60cm暗色纸板。

光源跟踪系统A放置在地面，通过使用光敏器件检测光照强度判断光源的位置，
并以激光笔指示光源的位置。

点光源跟踪系统选用步进电机作为动力设备，选用光敏电阻获取光强数据[1]。

用
A/D转换器采样点光源光强数据（基准值）和激光笔当前光强数据（测量值），
测量值和基准值误差经算法转换成电机控制量动作，通过控制步进电机运动带动激光笔转动，从而实现激光笔跟踪点光源功能。

具体方案如下：在激光笔的下方安装1个光敏电阻RG；激光笔左侧安装3个光敏电阻，依次平行排开；激光笔右侧对称位置同样安装3个光敏电阻。

所有光敏电
阻均用黑圆套筒套好。

使用MSP430内部A/D转换器采样光敏电阻上的电压信号。

系统开始工作时固定点光源位置，控制步进电机在一定角度范围内转动以扫描光强。

当激光笔指向LED光源时，保存此时中间光敏电阻RG对应的电压值（光照强度
最强），此时光敏电阻上对应的电压值即作为基准值。

当点光源移动时，单片机对左侧、中间和右侧的光敏电阻上的电压值均进行采样，并与上一个采样时刻对应的电压值比较，配合软件算法，可准确地控制电机的转向以及对精确的点光源进行跟踪与定位。

点光源跟踪系统总体设计框图如图2所示。

点光源电流测量显示模块框图如图3所示。

1）电机步距角与激光点最小移动距离
点光源作圆周运动时，杆长1m，跟踪系统A距杆垂直距离1.73m。

由正弦定理
可知光源距A点约2m。

设计选用的步进电机的最小步距角为0.9°，激光笔由步
进电机控制转动寻找光源，由此可分析出步进电机转动一步，激光点在板上移动的
最小距离约为3.14cm，显然误差较大，针对该要点，方案采用了步进细分技术对电机步距角进一步细分。

2）电机转动角度范围
设计要求步进电机在45°圆周范围内转动。

方案中针对该项措施安装了限位开关，这样既使控制程序更加简单化，又能任意确定基准点，控制步进电机在一定范围内转动。

3）直线运动计算
沿圆弧的一点作切线，以该切线的垂线两侧左右各45°为转动范围。

在切线上直线运动60cm时，由几何运算可得激光点最大垂直偏差约为5.6cm。

因此，激光笔
垂直方向的移动也需步进电机控制，该系统设计共用了2个步进电机，功能为激
光笔对点光源跟踪及定位时，对其水平方向和垂直方向的误差进行修正。

该电路使用光敏电阻，利用光敏电阻的阻值随光照强度的改变而改变特性来实现对光源的检测。

但光敏电阻器件间有差异，即同样的光照强度，所测得的电阻值也不一样。

设计中使用万用表精心挑选了阻值变化较大且阻值基本一致的数个光敏电阻。

图4中R1～R3置于激光笔左侧，R5～R7置于激光笔右侧，R4置于激光笔下方，R4上的电压信号经过二阶低通滤波器进行滤波。

滤波器选用TI公司低功耗
INA2332运放，该器件噪音低，静态电流低，线性噪声和共模误差等参数低。

光
敏电阻R1～R7对应的电压信号分别送入MSP430F149内部的12位A/D转换接口进行数据处理。

电流检测电路如图5所示。

图中使用回路串采样电阻的方法将LED灯的电流信号
转换成为电压信号，因检测到的信号在150mA～350mA之间变化，所以对信号
进行了10倍左右的放大，再经TI公司器件TLV1544 A/D转换器进行模数转换，将得到的数字信号送入MSP430F149单片机处理并在MGS12232液晶上显示电
流值[2]。

理论分析与计算得知，要实现对点光源的精确跟踪，无论是选用两相四线制还是三相六线制步进电机均需进一步对其步距角进行细分才能确保误差在毫米级。

因此，方案选用了四通公司两相混合式细分驱动器SH-20402A。

两相四线制步进电机最小步距角设定为0.9°。

SH-20402A细分驱动器驱动电流大，且最大可以实现步距角64细分，配合软件实现驱动器的“脉冲信号”和“方向信号”控制，从而实现了对步进电机的精确控制，步进电机及其驱动电路设计如图6所示[6]。

1）光源静止状态跟踪流程图，如图7所示。

2）光源沿圆周移动跟踪检测实现方法
在光源沿圆周运动时，可以利用设置在光源左右两侧的光敏电阻感应光源移动方向。

理论上光源在圆周上的任意点时，检测点检测到的点光源的光强值是相同的。

但在实际测试中发现可能由于室内灯光的分布不均匀以及光源中心线在移动过程中对准检测基准点有一定偏差等因素,检测点指向不同方向时所检测的光强值有一定的差值。

反复记录数据进行分析发现：正对光源时，在光源移动过程中，每次采集得到的数据变化较大；光源停止时，连续几个采样值的变化不大。

可以利用这一点来实现对动态点光源的跟踪以及静止态点光源的定位（即控制电机的转动和停止）。

软件方案是通过动态保存前一时刻光强采样值与当前时刻采样值进行比较，并根据比较差值来确定电机的转动方向及停止状态。

3）光源沿直线移动跟踪检测实现方法
采用上述沿圆周运动时的软件方案能实现当光源在直线上（15s内）移动60cm的跟踪，但是在垂直方向上存在1cm～2cm的偏差。

因此，算法上加入了调整垂直方向误差部分，该部分最终是实现对步进电机的控制来控制垂直方向误差的，具体控制方法同控制水平方向误差方案基本一样，但垂直方向电机的调整范围很小。

经测试发现，该方案较好地完成了激光笔对点光源沿直线运动模式的动态跟踪与定位任务。

1）测量工具：0.1cm精度直尺，1°精度量角器，0.01s精度秒表。

2）测量方法：反复测试并记录了4种激光笔跟踪点光源的情况，数据记录如表1所示。

测试数据表明，激光笔跟踪点光源精度高，跟踪速度快。

测试数据表明，光源随机移动，激光笔跟踪点光源精度高。

测试数据表明，激光笔跟踪点光源精度高，跟踪连续性好。

测试数据表明，系统自适应能力强，光线越强，精度越高。

系统性能测试数据表明，本方案设计的点光源跟踪系统跟踪速度快、跟踪精度高、跟踪自适应能力强，完成了课题设计任务。

【相关文献】
[1]周太明,周详,蔡伟新.光源原理与设计：第二版[M].上海:复旦大学出版社,2006.
[2]秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2006.
[3]王秋爽,曾昭龙.单片机开发基础与经典设计实例[M].北京:机械工业出版社,2008.
[4]瞿安连.电子电路-分析与设计[M].武汉:华中科技大学出版社,2010.
[5]桑森.模拟集成电路设计精粹[M].北京:清华大学出版社,2008.。