点光源控制系统

《点光源控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《点光源控制系统（11页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、点光源跟踪系统摘要：本设计以MSP430G2553单片机为控制核心，以恒流LED驱 动芯片TPS6102作为LED的驱动，利用D882芯片帮助调节LED电 流，设计并制作了能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统。系统 的主电路是由4个光敏三极管组成的传感器接收电路，将该传感器接 收电路与步进电机固定，通过单片机控制步进电机旋转来调整传感器 接收电路的转动角度，从而跟随点光源的移动而转动。本文对目标识 别与跟踪技术进行了分析，详细讨论了光敏三极管在特定目标光源的 扫描、追踪中的具体实现方法以及点光源跟踪系统的软硬件设计,最 终实现了点光源跟踪的目标。this desig n with MSP43

2、0G2553 microc on troller as con trol core, and the con sta nt flow LED drive chip TPS6102 as LED drive, using D882 chip help to regulate LED curre nt, desig ned and produced can detect and in structi ons point light source the light source positi on tracki ng system. The main circuit of the system i

3、s composed of four light activated triode sen sor receivi ng circuit, will the sensor receiving circuit and step-motor fixed, through the single-chip microcomputer con trol stepp ing motor rotatio n sen sors to adjust a receiv ing circuit of the rotati on An gle, and follow the moveme nt of the poin

4、t light source and tur n. In this paper the target ide ntificatio n and tracki ng tech no logy to carry on the an alysis, and discusses the light activated triode specific objectives in light sca nning, tracki ng of the specific method and point light source tracki ng system hardware and software de

5、sig n, and fin ally achieve the goal of a light track.关键字：MSP430G2553TPS61062D882 步进电机 光敏三极管一方案论证与比较1.电机选择模块：方案一：舵机。舵机是一种位置伺服的驱动器，适合于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，具有良好的速度控制特 性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，减速效率可达 90%以上，咼精确位置控制。舵机可以在微电系统和航模中作为基本 的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易实现 与之接通。而且舵机不需要任何控制系统，只需与单片机相连即可达 到设计要求。方案二：步

6、进电机：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移 或线位移的开环控制员步进电机。有较好的位置精度和运动重复性， 优秀的启停和反转效应，速度正比于脉冲频率，因而有较高的转速范 围，缺点是控制不当容易产生共振，难以达到较高的速度。且步进电 机并不像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环脉 冲信号，功率驱动电路等组成控制系统方可使用。方案三：直流电机。直流电机是输入或输出为直流电能的旋 转电机。用它带动激光笔可以减少单片机端口资源的利用：电机控制 方法简单，不需要程序设定旋转方向，有硬件自动实现光源精确定位。 但是直流电机不易受单片机控制，想固定旋转角度比较困难。2.信号采集模块：方案一：采用

7、CCD图像采集传感器。该传感器在分辨率，动 态范围，灵敏度，实时传输和自动扫描等方面都具有优越性，是本系 统的只好传感器。但是算法很复杂，难于在短时间内实现。方案二：采用光电池进行光强采集。由于光电池 短路电流与光强呈线性关系，经I/F变换可输出随光强线性变化的电 压信号。但由于采集距离有两米远，电压变化很小，要经过背景光消 减，差模信号放大等一系列信号调理才能送入单片机，而且光电池接 收面积大，不容易确定点光源位置。方案三：摄像头。摄像头高速扫描，通过分析 采集到的模拟视频信号，分析视频中心与光源的位差，通过控制电路 进而控制舵机支架的转动，实现光源的跟踪定位，使用摄像头作为采 光部分能够高

8、精度的测量，但摄像头体积大，成本高，考虑到产品的 性价比，放弃该方案。方案四：半导体光敏元件。光电传感器光敏电阻光敏二极管红外接收管光敏三极管硅光电池器件特性纯电阻 性，两端 电压随光 照强度变化主要利用硅PN结受光照后 产生光电流利用PN 结单向导 电性，能 接收并响 应红外射 线主要利用硅PN结受光照后 产生光电流一个大面积PN结对光源敏感程度具有在特 定波长的 光照射下，其阻 值迅速减无光照二 极管截止，受到光照时，二极管导无光照时 暗电流小 截止，受光照时，二极管导光电流与 外界光照 有关，同 一电压下 光照越强受到光照 时产生的 电动势和 电流较大小通通光电流越大，呈非线性检测距离检

9、测距离 有限，远 距离感应 电压信号 弱感应距离远，能米 集有用信号检测距离远检测距离较远检测距离 相对较远，能达到2m甚至更远处光线干扰易受外界 光线特别 是白天普 通可见光内置电磁 屏蔽，抗 太阳光干扰强方向性 强，受外界干扰小,只能 接收红外 光线内置电磁 屏蔽，抗 太阳光干 扰强易受外界光线干扰光敏三极管：光敏三极管对光线的检测比光敏二极管和光敏电阻要高得多，它把光信号转变成电信号的同时，还放大了信号 电流。光敏二极管和光敏电阻都没有对光电流进行放大。光敏三极管 相当于光敏二极管的基础上在增加了一个放大三极管，灵敏度要高于 光敏二极管，能够根据光线的强弱控制电流的大小，同时它的稳定性

10、高。故采用光敏三极管。3电机驱动模块：方案一：用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱 动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电 路工作性能不够稳定。方案二：用高耐压，大电流达林顿陈列一 LN2003做驱 动电路。ULN2003是高耐压，大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达 林顿管组成oULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA, 并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在咼负载电流并彳丁 运行。由于ULN2003结构简单，价格便宜，具有七路输出电流可达 500mA能够驱动步进电机。但耗费了单片机的I/O,因此不采用此方 案。方案三：L297和L298

11、组成的驱动电路。L297产生四相驱 动信号，用以控制双极性两相步进电机或四相单极性步进电机，可以 采用半步，两相励磁，单相励磁三种工作方式控制步进电机，并且控 制电机的片内PWM斩波电路允许三种工作方式的切换。使用L297 突出的特点是外部只需时钟，方向和工作方式三个输入信号，同时 L297自动产生电机励磁相序减轻了微处理器控制及编程的负担。 L297另一个重要组成是PWM斩波器控制相绕组电流，实现恒流斩 波控制，一个RS触发器以及外接采样电阻组成内部设有一公共振荡 器，向两个斩波器提供触发脉冲信号，脉冲频率是外接的RC网络决 定的，当时振荡器脉冲使触发器置“1”电机绕组相电流上升，采样 电阻

12、Rs的电压上升到基准电压Vref时，比较器翻转，使触发器复位， 功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡器脉冲的到来。这样， 触发器输出是恒频的PWM信号，调制L297的输出信号，绕组相电 流由Vref决定。CONTROL信号用以选择斩波信号控制。当它为低 电平“0”时，斩波信号作用于两个禁止信号(5.INH1, 8.INH2); 高电平“1”时，斩波信号作用于A,B,C,D信号。前者适合于单极 性工作方式，而对于双极性工作方式的电机，这两种控制方式都可以 的。L298芯片是一种高电压，大电流双H桥功率集成电路，可以用 来驱动继电器，线圈，直流电机和步进电机等感性负载。它具有两抑 制输入来使器

13、件不受输入信号影响。每桥的三极管的射级是连在一起 的，相应的外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源， 使逻辑能在低电平下工作。利用L297和L2988实现的步进电机驱动 电路，该电路为固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动方式，适用于两 相双极性步进电机，最高电压46V,每相电流可达2A。因此采用此 方案。4.LED灯驱动模块：方案一：TLC083。采用C803的两个运放做成恒流源，一个 运放接成电压跟随器接到第二个运放的正输入端，通过电阻阻止的调 节可以使得输出电流为I=Vi/R，通过调节Vi和R的值来改变I的大 小。该方案可以避开LED的阻值问题直接控制电流，但是供电电压 要12V,

14、且芯片引脚较多复杂，加重了实际焊接的工作，使其优势并 不明显。方案二：OP07。用三个OP07做成恒流源，接法同上面差 不多，可是实际测试会出现正负运放管脚电压不相等的情况，这个方 案通过检测和推断是电阻或者级联时出现的问题，级联复杂，且没办法实现低功耗的要求。方案三：TPS61062。采用TPS61062此款芯片可以利用其 内部带有的数字和PWM波控制LED灯的亮度，使用起来简单，便 于操作。因此采用方案三。4.脉宽调制PWM产生电路方案选择方案一：采用如下图1电路，由74HC04反相器和X1(2MHZ) 构成晶体振荡电路，74HC190(1)和74HCl90(2)将2MHZ进行100分 频

15、得到需要的20KHZ的时钟频率。74HC190(2)每输出100个时钟脉 冲触发一次双稳多谐振荡器74HC74。复位的办法是用比较器 74HC85(1)和74HC85(2)进行设定，若达到占空比设定值，则时钟脉 冲停止计数，电路复位,74H04输出具有与设定值相等的占空比波形, 波形分辨率为1%。PWM图1高精度PWM波产生电路方案二：采用传统的方法通过大量的分立元件来产生PWM波,所产生的脉冲频率和宽度往往不是很准确，很难做到对舵机的精确控 制。MSP430G2553系列单片机拥有业界最低功耗，具有性能稳定、 编程灵活、精度较高等特点，且用单片机产生PWM波在实际中得到了广泛的应用。所以本设

16、计采用MSP430G2553单片机来产生PWM波形。系统总体框图:三.理论分析及计算：1. 点光源特性特性分析：根据题目中的要求，可以将点光源的运动分为沿圆周移 动和沿其他任意方向移动两种形式。空间里的任何一点可以用唯一的 参量来表示，根据运动轨迹的不同，选择不同的坐标参量，具体如下：A. 沿圆周移动点光源此类运动趋势的点光源设定为第一类点光源。对于第一 类点光源，我们采取求单一变量：水平面的变化量。B. 沿其他任意方向移动的点光源此类运动趋势的点光源设定为第二类点光源。对于第二 类点光源，我们采用先求取水平变化量，再求垂直变化量。降低了任 务的复杂性，目的明确。2. 传感器布局分析与计算根据

17、第一、第二类电光源的特性及光照亮度来追踪光 源的原理，依据简易、精确控制与节约资源的原则，本设计采用四路 照度检测通道。其中，两路检测元件水平排布用于水平定位，布局相 对对称，另两路左右检测元件与激光笔平行，用于竖直定位。点光源的移动可分解为水平和竖直移动。水平布局的 中心传感器应用于精确定位光源的水平位置。水平方向两边的传感器 主要用于检测光源的水平位置或水平移动方向，以便及时通知控制器 调整激光笔的水平指向。四系统单元电路设计：步进电机驱动电路：采用L297和L298组成驱动电路LED灯驱动电路：由TPS61062芯片和OPA820组成驱动电路。luFVINSWENOUTILEDFBGND

18、PGND2 2uHTPS6 106 2&834-+5V10KC22 20 nFR110KR210KRs10RF10KA820RG10KFB五系统测试与分析:1.测量工具:表1.测量工具测量仪器型号直流稳压电源YB1730A万用表VC9801直尺、三角板2.测试结果表2.激光笔距离点光源2m且指向光源时个三极管的采样电压光敏三极管水平（左）水平（右）垂直（上）垂直（右）采样电压1.85V1.88V1.93V1.90V表3激光笔调离点光源中心后重新指向点光源所需时间及偏离误差激光笔光点调离点光源中心的距离指向点光源所需时间偏离误差20cm3.4S1 .2cm25cm4.1S2.2cm30cm4.8

19、S1.7cm35cm7.2S2.3cm移动角度所需时间10度8.5s20度7.0s六总结:本光源跟踪系统实现了点光源的位置检测和指示。为降低系 统，系统采用低功耗的MSP430G2553单片机，通过单片机程序控制步 进电机转动的角度，从而控制传感器跟踪点光源，并通过激光笔来指 示方向。当移动激光笔光点偏离点光源时，传感器能够在5S左右的 时间调整方向使光点重新指向点光源；对于不同的LED亮度，移动光 源支架，传感器能缓慢跟踪点光源转动；转动光源支架使纸板旋转一 定角度，传感器也能检测到光照强度的变化并跟踪点光源转动，最终 使激光笔光点基本对准点光源。参考文献1. 宁武唐晓宇闫晓金全国大学生电子设计竞赛基本技能指导北京: 电子工业出版社，2009.52. 张华林周小方电子设计竞赛实训教程北京：北京航空航天大学出 版社，2007.73. 谢兴红林凡强吴雄英MSP430单片机基础与实践北京：北京航空 航天大学出版社，2008.14. 童诗白 华成英模拟电子技术基础（第四版）北京：高等教育出版社，2006