点光源跟踪系统光敏三极管步进电机激光笔点光源跟踪

摘要：本设计以TI的LM3S1138处理器为核心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，当LED光源在圆弧或直线上运动时，检测模块检测信号后经过放大滤波送入LM3S1138进行处理，用电机驱动模块控制检测模块在水平和竖直方向上的旋转使激光笔指示光源位置，即实现点光源跟踪。系统主要由四个模块构成：LED驱动模块、检测及其转换模块、LM3S1138处理模块和电机控制模块。其中用TPS61087驱动LED,光敏三极管检测光照强度，由两个步进电机分别控制激光笔水平和竖直方向上的旋转。

关键字：LM3S1138 TPS61087 光敏三极管步进电机激光笔点光源跟踪

一系统方案

根据题目的要求，设计任务是通过使用光敏器件检测光照强度来判断光源的位置并用激光笔指示光源的位置。为了完成上述功能，将整个系统设计为两个模块，点光源模块和指示光源模块。整个系统的总体框图如图1-1所示：

图1-1 系统总体框图

1.1 LED驱动模块方案选择与论证

方案一：采用LM317做LED驱动模块。LM317是三端可调正稳压器集成电路，它的输出电压X围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。由LM317构成的驱动电路简单，但功耗较大，而且要注意散热问题。

方案二：采用TPS61087做LED驱动模块。TPS61087是具有强制PWM模式的650kHz/1.2MHz升压DC-DC转换器，输入电压X围为2.5~6V，输出电压可高达18.5V。采用TPS61087的驱动电路的输出电流可达500mA以上，足够用来驱动150～350mAX围的白光LED。因此本设计采用方案二。

1.2 光敏传感器的选择与论证

方案一：采用光敏电阻检测光照强度。它在强光照射下光电转换线性较差，频率响应很低。

方案二：采用光敏二极管检测光照强度。当反向电流增大时，但容易受温度变化的影响。

方案三：采用光敏三极管检测光照强度。光敏三极管还有电流放大作用，它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。

光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。而光敏三极管与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。因此本设计采用方案三。

1.3 光源检测模块布局方案选择与论证

方案一：采用八个光敏三极管按照菱形分布。该方案需比较的数据较多，误差很大。

方案二：将八个光敏三极管按照矩形分布。该布局比较数据量相对较少，但由于只有两排且没有光敏三极管与激光笔在同一水平线上，因此上下调节时误差很大，难以微调。

方案三：将六个光敏三极管按照十字形排列。该方案实现在水平方向上粗调和微调，且数据比较是通过软件实现，更灵活且精度高。因此本设计采用方案三。

1.4 电机驱动模块方案选择与论证

方案一：采用直流电机控制激光笔旋转。直流电机控制方法简单，但不易受单片机控制，旋转角度无法用程序有效控制，对于固定角度旋转比较困难。

方案二：采用步进电机控制激光笔旋转。步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。因此用步进电机驱动可使光源定位精确、稳定、可靠，故该设计采用方案二。

二 理论分析与计算

2.1 检测信号的滤波及放大参数计算

由于光敏三级管的射极电流为μA 级，故在它的射极串联一个10K 的电阻，如图3-3所示。该电路中有两级滤波，第一级为C 和R2，第二级为R4和C3，用来滤除电路的纹波。另外C 和R2还与R1一起决定电压增益的值，在输出和电源之间还接有IN4148.，用来保护电路，防止进入LM3S1138的管脚电压过大。

TLC085的增益为：

11R z

A +

=

其中：

122+=

jwcR R z

该设计中需要放大10倍，即A=10。取R2为50k Ω，则R1的值约为5 k Ω， 所以这里取R1为5.1 k Ω。

根据滤波频率公式：

cR f π21=

为满足第二级滤波频率为1KHz ，取R4为6.8 k Ω，则可算得电容C3=23.417μF ， 所以取C3为22μF 。

2.2 LED 驱动回路电阻的选取

如图3-2所示，1W 白光LED 与一12Ω的电阻串联，再与电阻R1、R3，电位器R2并联。LED 的管压降为3.3V ，流过LED 的电流X 围为150mA~350mA ，电位器R2的可变接点接至TPS61087的反馈输入脚FB ，且V V FB 24.1= 所以有：

电压： I V U ⨯+=123.3 故电压X 围为：5.1V~7.5V

由图可得：

24.15.73321=++R R R R ① ；24.11

.532321=

+++R R R R R ② 由式①②得：

1.55

.7332=+R R R 取R2为20 k Ω，则有Ω==k R R 5.42152.223，Ω=k R 56.1941 所以取R1阻值为200k Ω ，R3阻值为47k Ω。

2.3 步进电机的步距角的计算

本设计中采用的是两个同种型号的四相步进电机，分别控制检测模块在水平方向和竖直方向上的旋转。由于步进电机应用于低速场合，需要加上减速装置来细分步数以提高定位精度并减少噪声。电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系，因此要想控制旋转的位置和速度必须先算出步进电机的步距角。步距角的算法如下： ①先测出圆形底盘的周长，为26.1cm

②取一段弧长并测出该弧长为5.1cm ，则该弧长对应的角度为θ

根据 1.261

.5360=

︒

θ

可得 θ=70.34˚

③通过编程测到跑完该弧长所需的步数为400 ④根据公式得到步距为：

︒=︒

176.040034.70