基于单片机msp430的点光源跟踪系统设计

基于msp430的点光源跟踪系统设计

周小军 何志龙 武小栋

摘要 本设计采用MSP430F149 单片机作为整个系统的控制核心，利用4个光敏三极管来接收点光源发出的光并将检测到的信号放大后传给控制器MSP430F149单片机，经过单片机的运算和处理来确定点光源的位置，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，位于传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。

关键词： MSP430 点光源 跟踪 传感器

1 方案设计与论证

根据题目的要求，系统的设计可分为控制器（msp430）模块，电机驱动模块，点光源检测模块，液晶显示模块，LED 驱动模块组成。系统设计总框图如图1：

1.1主控芯片的选择 方案一：采用传统的51单片机，运用比较广泛，上手比较快。但是本系统的程序量比较大，内部资源要求比较丰富，51单片机难以胜任这些功能。

光敏三极管

键盘

MSP430F149 1602液晶

纵轴电机 横轴电机 图1 系统设计总框图

方案二：采用MSP430F149低功耗单片机，其I/O口资源丰富，有12位AD转换、16位定时器、精密的比较器等，信息处理功能强大，能够很好的实现系统的要求。故选择此方案。

1.2电动机的选择

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，直流减速电机的速度不容易控制，而步进电机的控制和实现相对简单一些。因而选用方案一。

1.3电动机驱动方案的选择

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。

1.4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：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。

方案三：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。

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，故传感器选择方案三。

2硬件电路的设计

2.1 1W LED驱动电路

用LM317三端可调式集成稳压器，可以通过简单的电路连接得到恒流源I=1.25/R +I

（I=50υA），可移动过精密电位器调节R2从而改变I，得到相应的电流范围用来驱动

大功率LED灯。电路如图2所示：

图2 1W LED驱动电路

2.2信号检测电路

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MSP430F149更好的处理信号。整体电路如图3所示：

图3 信号采集电路

2.3步进电机驱动电路设计

为了达到较好的跟踪电光源的目的，本设计采用两个步进电机来配合跟踪系统工作。电机驱动电路如图4所示

2.4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。键盘电路如图5所示 图5 键盘电路 图4 步进电机驱动电路

3 系统程序设计

3.1 跟踪系统流程图 否 是

开始

键2

键1 键4 初始化

模式选择

键3 键5

模式1 反转 停止 正转 模式2

光源检测

驱动电机

追踪测量

是否光强最大

保存数据并停止测量

图6 系统总体流程图

3.2 软件设计

本系统软件设计部分主要包括按键选择部分，ADC采集转换部分，液晶驱动部分，执行部分。

按键选择部分，设置P2.0~P2.4下降沿中断。P2.0键按下后选择模式1即电光源圆周运动模式，P2.1控制电机正转，P2.2控制电机反转，P2.3使电机停止转动，P2.4选择模式2即点光源直线运动模式。其中P2.1、P2.2、P2.3三个按键用于调整，当电光源不在测量范围时，可以按键控制使电机转动到可测量区域。

ADC采集转换部分，设置P6.0~P6.3为光敏三极管信号输入端口，经过单片机ADC12算法处理，把处理结果进行比较，并把部分结果在液晶上显示。

液晶驱动部分占用P4全部端口和P3部分端口。此部分程序用于液晶的初始化以及控制液晶显示。

执行部分，通过比较经过水平方向两个光敏三极管电流的大小，确定纵轴电机的转动方向，通过比较经过竖直方向两个光敏三极管电流的大小，确定横轴电机的转动方向。当水平、竖直两个电流值之差在一确定范围时，电机停止转动，此时激光笔指向电光源所在位置。此外，电机运行状态会在液晶上显示。

4结语

本设计基本上能按照要求对点光源进行跟踪。单片机通过对外部光电信号的采样转换比较得到电机运行指令。可根据控制系统的追踪时间要求来改变脉冲的频率，以此来改变步进电机的旋转速度带动工作台进行实时跟踪, 在电路中增加了手动校准电路，可以使光敏三极管快速的寻找到点光源的大概位置，然后实施自动跟踪功能。设计过程中我们碰到的最大的问题是硬件部分，最终在仔细的调试过程中发现了问题，并加以解决。

5参考文献：

[1]全国大学生电子设计大赛获奖作品选编.北京理工大学出版社2005

[2] MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲.电子工业大学出版社2005

[3]MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.清华大学出版社出版2003 6附录

所用核心器件:

MSP430单片机

两相混合式步进电机两个

光敏三极管4个

1602液晶1块

LM317 1个

LM324 两个

L298N 1个