点光源跟踪系统

2010年TI杯全国大学生电子设计竞赛

点光源跟踪系统（B）题设计报告

队号:512075

摘要：本设计以TI公司提供的16位超低功耗、高性能嵌入式微控制器MSP430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。点光源用支架支撑距地面高约100cm，可以沿预定的轨迹进行±45º范围内圆周运动或直线移动。放置在地面的光源跟踪系统，通过运用光敏器件的检测、传感器、MSP430单片机的强大功能及相关外围电路设计产生控制信号传递给步进电机，使步进电机带动激光笔进行上、下、左、右等方向进行光源的实时检测及精确的跟踪。本文着重讨论电机控制与光源检测定位方法。

关键字：MSP430 光源检测及跟踪光敏器件步进电机

目录

摘要 (1)

关键字 (1)

1 引言 (1)

本设计应达到的技术要求 (1)

2 系统方案的选择与论证 (2)

2.1 光敏器件方案的选择 (2)

2.2 LED恒流驱动器方案的选择及论证 (3)

2.3 电机选择方案的比较及论证 (4)

2.4 方案确定 (5)

2.5 方案论证 (5)

3系统总体设计 (6)

4 系统单元电路设计 (7)

5 系统总体测试 (7)

6总结与展望 (8)

7参考文献 (8)

1 引言

本设计应达到的技术要求

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150～350mA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60º，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±45º的范围内移动，也可以沿直线LM移动。在光源后3 cm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。光源跟踪系统中的指向激光笔可以通过现场设置参数的方法尽快指向点光源；将激光笔光点调偏离点光源中心30cm时，激光笔能够尽快指向点光源；在激光笔基本对准光源时，以A为圆心，将光源支架沿着圆周缓慢（10~15秒内）平稳移动20º（约60cm），激光笔能够连续跟踪指向LED点光源；

图1系统示意图

2 系统方案的选择与论证

2.1 光敏器件方案的选择

点光源位置的光源跟踪系统中光敏器件的选择是相当重要的，现有的光敏器件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、红外接收管。红外接收管与光敏二极管差不多，不过只受红外光控制，在这里不考虑该光敏器件。通过对光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管器件的检测实验，包括对光的敏感程度、对光照的响应速度、输出特性线性度及检测距离的测试比较，得出光敏感特性对照表1

表1 光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管对光敏感特性对照表

光敏电阻虽然响应速度较慢，但也能满足设计要求，同时检测距离为 1.73米左右，信号比较稳定，且电路简单。在满足设计要求的前提下，采用光敏电阻为光电传感器是可实现的方案。同时考虑光敏电阻易受外界环境光线影响，白天和晚上测试差异很大，为此专门在光敏电阻周围加上热缩管作为遮光套管，长短合适的遮光管能有效地抑制环境光的干扰。

光源

遮光板

光敏器件

图2 感光测试示意图

为进一步验证光敏电阻的适用性，通过图2所示用遮光板挡住光源，由近及远，不断改变h的大小，观察h与对光敏电阻阻值的关系进行感光测试，所得结果如表2，表2中的结果显示，光敏电阻的阻值会随着h的增大而减小，由此可知，用光敏电阻作为光敏器件是可行的。

表2光敏电阻阻值感光测试表

距离h(cm) 阻值（KΩ）距离h(cm) 阻值(KΩ)

10 127 100 10.4

20 67.1 110 9.9

30 59 120 8.95

40 54 130 8.19

50 41.4 140 8.01

60 36.5 150 8.14

70 20.3 160 8.2

80 12.8 170 7.89

90 11.5 180 7.23

2.2 LED恒流驱动器方案的选择及论证

设计要求LED的电流在150～350mA的范围内可调节，故采用了两个方案。

方案一：采用PT4105高精度恒流源进行大功率LED的驱动，输入电压：2.5~18/V，内置功率MOS管，输出电流最大可达1A，可在很宽的输入电压范围内驱动单颗1W(电流350mA)或3W(电流700mA) LED，或者各种大功率LED 串/并联组合。内含欠压锁定、过热保护、限流保护等功能，应用设计方便，外围电路比较简单，如图3所示。

方案二：采用低静态电流,低压差的TAC7136进行LED恒流驱动，输入电压：2.7~6V，仅仅需要一个外接电阻就可构成一个完整的LED恒流驱动电路，可使输出电流能在100mA到400mA范围内进行调节。内部自带软启动,过热保护,低压保护。电路如图4所示

图3 PT4105高精度恒流源图4 恒流源驱动电路

基于电流能够在150～350mA 的范围内连续可调，并且方案二外围电路简单，易于实现，采用方案二实现LED 恒流驱动。

2.3 电机选择方案的比较及论证

点光源位置的光源跟踪系统中电机是主要的器件，对电机的选择有如下两种方案。

方案一：如图5光源跟踪俯视示意图所示，多个固定在光源跟踪系统的不同位置的光敏二极管将感应的不同电压送入比较器，比较器所得逻辑高低电平送入单片机，单片机一控制端口输出的为宽度可变的负脉冲,这样直流电机电枢上的电压也为宽度可变的脉冲电压,即电机的电枢电压即受单片机输出脉宽控制,实现了利用脉冲宽度调制技术(PWM)进行直流电机的变速，从而达到动态调节，直至光源跟踪器（激光笔）直线对准光源位置（在60cm 暗色纸板上不留光斑）。通过试验电路，结果表明，利用直流电机驱动光源跟踪器的检测方案有诸多优点：单片机端口资源利用少，无需多路AD 口采集数据，只提取两路AD 信号；电机控制方法简单，无需程序设定旋转方向等，硬件自动实现光源精确定位；控制精确，微量的光线入射量都会引起电机转动，调节到中心位置。但该方案也有许多不足之处，直流电机不易受单片机控制，另外直流电机的响应速度慢，实时效应较差，旋转角度无法程序有效控制，对于固定角度旋转比较困难。

方案二：用步进电机精确控制旋转角度带动光源跟踪器。步进电机是将电脉冲信号转换为角移位或线移位的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上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简单。

图5 光源跟踪俯视示意图

光源跟踪系统

光敏器件

遮光板