基于MSP430单片机的光源跟踪系统

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文献标识码：A
文章编号：1007-3973（2010）011-068-0S 的响应时间约为 100ms。光敏二极管 是根据硅 PN 结受光照后产生的光电效应原理制成的， 光敏二 极管工作于反向偏压下，其光谱响应特性主要由半导体材料 中所掺的杂质所决定。光敏二极管的最大工作频率为几十兆 赫兹，其缺点是灵敏度不高。光敏三极管常用来检测可见光 或红外光， 有光照射或光强变化时， 集电极产生的光感生电流 直接馈人基极， 并被器件本身所放大， 因此光敏三极管有较高
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基于 MSP430 单片机的光源跟踪系统
□ 廉春原[1] 徐 艾[2]
（[1]常州工学院电子信息与电气工程学院 江苏・常州 213002； [2]常州机电职业技术学院电气工程系 江苏・常州 213164） 摘 要： 光源跟踪是一项应用广泛的实用技术， 将该技术应用于太阳能设备上， 能使太阳能板调节自身角度始 终垂直于太阳光照射方向， 从而提高设备工作效率。 基于 MSP430 单片机的光源跟踪系统方案使用光敏三极管 3DU5 对光强进行采集， 经信号调理后送入单片机自带的 A/D 转换器将其转换为数字量， 最后单片机根据对采 集数据的分析结果控制步进电机动作， 达到自动跟踪光源的目的。测试结果表明系统能够满足设计要求。 关键词：光源跟踪 MSP430 3DU5 步进电机 中图分类号： TP273 1 引言 在太阳能电池, 太阳能热水器等很多领域都应用到光源 跟踪技术, 使用该技术能够使太阳能设备的工作效率更高。 本 设计采用光敏三极管采集光强信号，设计了基于 MSP430 单 片机的光源跟踪系统， 利用两台步进电机带动光伏面板转动， 从而准确跟踪光源。 2 系统总体结构设计 为了使光伏面板能准确跟踪太阳光源，至少应有两台 电机带动面板做二自由度的转动。跟踪系统原理图如图 1 所示， 矩形面板沿 Y 轴方向的两对边各安装一光电传感器， 太阳距离地球足够远，因此照射在这两个传感器上的光线 可看作平行光， 若光线垂直于 X 轴入射， 且没有其他干扰， 则这两个传感器上接受到的光强相等。相似的，若光线垂 直于 Y 轴入射， 则安装在矩形面板沿 X 轴方向两侧的传感 器上接受到的光强相等。 根据四个传感器采集的光强信息， 单片机控制两个步进电机带动面板向垂直于太阳光的方向 转动。 3 硬件电路设计 3.1 MSP430 简介 单片机的选择主要考虑了单片机自带资源是否满足设计 要求， 如果能够选择合适的单片机， 则可大为简化电路设计的 复杂程度， 从而提高系统的可靠性。综合考虑后， 系统采用了 TI 公司的 MSP430F149 单片机作为核心控制器件。 该器件属 于 MSP430 系列单片机的一种， CPU、 由 存储器和外围模块组 成， 这些部件通过内部地址总线、 数据总线和控制总线相连构 成单片微机系统。 MSP430F149 和通用微处理器基本相同， 但 MSP430F149 更加突出了体积小、 功能强、 超低功耗、 系统工作 稳定、 面向控制的等特点， 它具有强大的处理能力， 更高性能 模拟技术及丰富的片上外围模块， 具有很高的性能价格比。 3.2 光电传感器的选择 常用的光电传感器主要有光敏电阻、 光敏二极管、 光敏三 (CdS) 及硒化锡 极管等几种。光敏电阻的典型材料有硫化锡 (Cdse) 两种。光敏电阻的 CdS 或 Cdse 沉积膜面积越大， 其受 光照后的阻值变化也越大， 故通常将沉积膜做成 “弓” 字形， 以 增大其面积。光敏电阻属于无结元器件， 其价格低廉， 便于系 统布局， 但其工作时的响应速度较慢， Cdse 光敏电阻的响 如 图 1 跟踪系统原理图 跟踪系统的总体结构图如图 2 所示，主要包含单片机主 控模块、 光检测与信号放大模块、 A/D 转换模块、 电机驱动模 块、 电源模块、 显示模块等， 其中 A/D 转换模块利用单片机本 身的 A/D 转换通道实现， 电源模块给整体跟踪系统供电， 显示 模块采用数码管构成，在单片机的控制下实时显示四路光强 采集信号的电压值。
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的灵敏度。本系统设计时采用了光敏三极管 3DU5 作为光强 检测传感器。 3.3 信号放大电路设计 信号放大电路原理图如图 3 所示。当光敏三极管受到不 同光照时阻值不同。通过与一个固定阻值的电阻串联分压， 将阻值变化转化为电压变化。当光照强度变化时，电压值变 化，通 过 反 相 比 例 放 大 电 路 将 电 压 值 放 大，放 大 后 送 入 MSP430F149 单片机自带的 8 路 12 位 A/D 转换模块中的 A0~ A3， 分别对四路光敏三极管输出电压进行采集。
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图 3 信号放大电路原理图 3.4 步进电机驱动电路设计 本系统中步进电机的驱动采用 LM298 实现， LM298 的控 制信号 IN1-IN4 由单片机 I/O 口输出，LM298 的四个输出端 OUT1-OUT4 分别接步进电机的两相绕组， 其电路原理如图 4 所示。
图 4 LM298 驱动电路原理图 4 软件设计 4.1 系统流程图 图 5 所示为系统程序流程图。程序开始工作之后，首先 系统进行参数设置， 然后系统分别扫描四路 A/D 输入， 把采样 数据寄存在单片机 RAM 中， 然后进行判断。 如果矩形面板沿 X 轴方向两对边的光电传感器采样数据不相等， 说明这两对边 与太阳光入射方向不垂直， 此时驱动电机使面板绕 X 轴方向 朝光强较强的一侧旋转； 如果矩形面板沿 Y 轴方向两对边的 光电传感器采样数据不相等， 则驱动电机使面板绕 Y 轴方向 朝光强较强的一侧旋转，直到面板的四条边都与太阳光入射 方向垂直。
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图 5 系统流程图 4.2 A/D 模块的使用 光源跟踪系统使用 MSP430F149 单片机自带 8 路 12 位 A/D 模块中的 A0~A3，分别对四向光敏三极管输出电压进行 采集。A/D 基本设置程序如下所示： ADC12CTL0 = ADC12ON+SHT0_8+MSC; // 打 开 ADC， 设置采样时间 ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_3; // 使用采样定时器 ADC12MCTL0 = INCH_0; ADC12MCTL1 = INCH_1; ADC12MCTL2 = INCH_2; ADC12MCTL3 = INCH_3+EOS; // 确定四路 A/D 通路 ADC12IE = 0x08; // 使能 ADC 中断 ADC12CTL0 |= ENC; // 使能转换 ADC12CTL0 |= ADC12SC; // 开始转换 5 结束语 使用 MSP430 单片机作为核心控制器保证系统能够快速 响应， 利用单片机内部的 A/D 转换模块简化了外部电路， 提高 系统的可靠性。 系统设计完成后进行了现场测试， 测试结果表 明系统能够快速准确跟踪太阳光线的入射方向， 提高了光伏面 板的工作效率， 工作稳定， 控制灵活， 具有一定的实用价值。 参考文献： [1] 张天钟,姜宝钧,邓兴成.基于 MCS-51 单片机的光源跟踪 [J].实验科学与技术,2006,12. [2] 邓鹏,隋波.基于 MSP430 单片机的多通道数据采集系统[J]. 舰船电子工程,2009,3. [3] MSP430x1xx family user's guide [M]. Texas Instruments Incorporated, 2003. [4] Jiang Y P. Intelligent flow totalizer based on MSP430 mixed mingle microcontroller[J]. IEEE Sensors Applications Symposium, 2007(2). [5] 巫付专,吴必瑞,蒋群.基于 MSP430 的无功补偿系统设计与 实现[J].自动化仪表,2009, 2.