点光源跟随器报告

2010第二届“TI杯”陕西省大学生电子设计竞赛

题目B：

《点光源跟踪系统》

参赛学生：李伟龙、梁谋、张凯

指导教师：张倩

学校：西安交通大学城市学院

院系：电信系

摘要

本系统以TI公司的超低功耗 MSP430 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.该系统能准确跟踪点光源的位置并用激光笔指示其位置。以考核系统跟踪轨迹的准确性，轨迹的跟踪以完成任务的准确度来评判设计完成指标。

硬件系统以MSP430F5438为核心，根据光敏二极管的光电特性检测光源位置，采用步进电机来完成跟踪指示的功能。软件部分采用基准光照比对的思想编写出源代码来锁定光源位置，实现光源的检测与准确定位。经过多次测量验证，结果表明所设计的点光源跟踪系统能够自动检测点光源位置并指示。

关键词：光源跟踪定位，光敏二极管， MSP430，步进电机控制

目录

摘要 (1)

1 系统方案选择与论证 (4)

1.1光源采集方案 (4)

1.2光源检测与处理方案 (4)

1. 3 方案选择 (3)

2 系统的工作原理 (5)

3 硬件系统设计 (5)

3.1 光源检测部分 (4)

3.2信号处理部分 (5)

3.3电机驱动控制部分 (5)

4 软件系统设计 (6)

5点光源的设计、电流的测量及显示部分 (7)

6 测试结果及误差分析 (8)

1 系统方案选择与论证

根据题目的基本要求，本系统主要完成对光源的跟踪与指示，通过采集并处理不同位置光照强弱的有关数据，进而控制电机转向，以实现对光源的跟踪，下面论证系统实现方案。

1.1光源采集方案

光源采集可以采用光敏电阻，光敏二极管，或者红外接收管，由于光敏电阻受检测距离和光照强度特别是普通白光的的影响较强烈，当光源距离大于三米时感应电压信号很弱，红外接收管只受红外光控制.光敏二极管检测距离较远，有二极管特性，其导通条件还和外界光线有关，在室内环境下，外界光线克服了其导通压降，提高了检测的精确度，本系统只对LED光源进行检测与跟踪。

基于上述分析，拟采用光敏二极管实现光源的采集与跟踪

1.2光源检测与处理方案

光敏二极管采集到的信号电压通过MSP430单片机的A/D模块，实现对信号的处理.通过继电器对电机进行控制。

1.3方案选择

基于以上方案的优缺点比较，本设计采用光敏二极管采集光源，通过电压跟随，将信号电压送入MSP430 对步进电机进行控制方案，实行光源的精确定位，系统电气原理图如下图1.3-1所示

图1.3-1 系统电气原理图

2 系统的工作原理

下图2.1给出系统框图，光敏二极管通过对光源不同位置光照强度的检测，转化为电信号送入单片机P 口，单片机对送来的信号进行处理，输出信号通过继电器对电机进行控制，通过不同方位光照强度的变化来调整电机的方位，使得光敏二极管总是采集临近光照最强方位的光。

图2.1系统框图 3 硬件系统设计

由于光源在空间散射，为使光敏元件有效地接收光线，采用透镜聚光的方法采集光源信号，当跟踪到光照最强的方位时用激光笔指示跟踪具体方位，光敏二极管反偏接入电路，通过光敏二极管的光电性质将光照强度的变化转化为电压信号，为降低信号源的负载，使采集信号不失真地输入单片机，使用TLV2463运算放大器跟随输入信号，跟随后的信号经过单片机逻辑时序控制步进电机准确旋转一定角度使得云台旋转方位准确可控，更方便软件复位，反馈控制电机角度偏差，形成闭环控制，通过实验可知，可以准确跟踪光源的具体位置，当跟踪到光源的具体位置后，激光笔指示灯亮。为使电机驱动部分与控制部分相互独立，采用继电器隔离。

3.1光源检测部分

利用光敏二极管对白光的有敏感反应的特性，可以完成对光源的检测，检测信号的输出有以下a,b 两种方案可供考虑，如图3.1所示

方案a 方案b

图3.1

图a所示方案采用电压比较法，采集到的电压信号通过与基准电压比较，产生高低电平脉冲，通过电平的变化得到检测信号，由于基准电压可控性不稳定，且产生的负电平可能烧坏单片机，图b所示采用电压跟随，使信号无失真地输入到单片机进行处理，通过实测综合比较后，我们采用图二所示方案进行信号检测。

3.2信号处理部分

检测信号送入单片机I/O口，通过Ａ/Ｄ转换，转化为数字脉冲信号.当光照强度偏离基准点时,程序通过对临近光照强度的采集，与基准光照强度比较，控制电机转向，准确跟踪光源的具体位置，初始时刻设置基准电压信号，或者预先扫描整个光照区域，确定光照强度最大的点所对应的信号电压为基准电压，当光源移动时，光敏二极管接收到的光照强度减小，此时单片机控制电机向周围空间寻找光源，当找到光照强度最大的位置时电机停止移动，同时激光笔被点亮，

3.3电机驱动控制部分

云台转动方向分别通过驱动电机向上，下，左，右，四个方向的继电器控制，水平方向上，当光照强度改变时，软件系统默认电机向左转动，若向左光照减弱，则转向右边，检测到光照强度最大的点，再向右寻找，若光照强度减小，则返回最大光照强度点。

电机控制部分原理图见附录

4 、软件系统设计

通过对430单片机的编程，利用其A/D模块完成由外部电路采集的脉冲计数，实现软件对电机转动方位的控制，主要是突出用软件编程达到控制硬件的目的，如图4.1所示.

图 4.1

5、点光源的设计、电流的测量及显示部分

此模块采用TI公司提供的INA270芯片,通过调节电位器，改变LED的亮度的同时，流过R1的电流值也发生着变化，放大14倍后由OUT端输出的模拟信号再送人430单片机的A/D模块转换成数字量，然后由数码管显示出来。如下图示：

6、测试结果及误差分析

光源使用一只白光LED，固定在高度为一米的支架上，直流电源对其供电，利用电位器可使其电流在150mA到350mA范围内调节，采用透镜聚集点光源，为使激光笔准确指向跟踪点，激光笔放在下方，通过调试使激光笔能够准确指向跟踪点。

测试结果：

在室温25℃，普通实验室条件下，通过现场测试，利用电位器调节可使流过LED的电流在110mA到550mA范围内变化，满足题目要求。当光源移动时，激光笔能够在10秒内指向点光源，将激光笔光点调偏离点光源中心30cm时，激光笔能够跟踪寻找最终指向点光源；在激光笔基本对准点光源时，以光源跟踪系统为圆心，将光源支架沿着圆周缓慢移动时，激光笔能够连续跟综寻找最终指向LED点光源，能够满足基本要求，在激光笔基本对准光源时，将光源支架沿着直线LM平稳缓慢移动时，激光笔能够连续跟踪指向点光源。将光源支架旋转一个角度，经过测试，激光笔能够跟踪并比较准确地指向点光源