点光源跟踪系统(报告)

【摘要】：本系统设计以MSP430F169微处理器为控制器点光源自动跟踪系统，点光源跟踪系统由光源检测控制和点动光源两大部分组成。光源检测控制通过单片机控制两个步进电机，实现激光笔左右上下两个方向运动，可实现精准跟踪光源，点动光源用恒流源控制1W LED发光，光敏三极管构成见检测光源位置电路。系统使用NOKIA3510彩色液晶显示，不仅美观，而且菜单显示使系统可视化。本系统结构简单，功能强大，系统稳定。

关键词：步进电机 MSP430F169 NOKIA3510 光敏三极管

一 系统整体方案确立与单元模块方案论证及比较

本题任务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。自动跟踪系统要实现检测光源和跟踪光源，通过光敏器件检测光照强度判断光源的位置，辅以微处理器控制电机，电机控制激光笔的左右上下运动来跟踪光源。有以下两种总的方案可供选择： （1）电机的选择方案论证

方案一：实用云台机构。利用全方位云台内部的两个电机，分别控制激光笔上下、左右转动；这种方案的优点是控制起来较比较方便，机械性能较好，但是市场上云台价格较贵，由于云台通过同步电机实现转动，运动惯性比较大，不易控制。

方案二：控制步进电机。利用两个步进电机，分别控制激光笔上下、左右向的转动；步进电机控制方便，驱动电路设计容易。这种方案的优点是经济。综上所述：考虑到激光笔上下左右运动的角度非常微小，而且步进电机便宜，故选用方案二。

（2）电机驱动模块选择

方案一：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它工作频率高，一片L298N可以控制1个步进电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 方案二：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。 方案三：用高耐压、大电流达林顿陈列—ULN2003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。ULN2003 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，输出还可以在高负载电流并行运行。由于ULN2003结构简单，价格便宜，具有7路输出电流可达500毫安能够驱动步进电机。考虑性价比、电路结构等，系统选用方案三。 （3）检测光照强度模块的选择

方案一：采用多个光敏电阻。根据AD转换后通过单片机处理反馈于电机驱动来调整激光笔的跟踪，但光敏电阻的检测距离很近，达不到题目的要求。

方案二：采用多个光敏三极管。根据AD转换后通过单片机处理反馈于电机驱动来调整激光笔的跟踪。光敏三极管的灵敏度好，检测距离远。考虑到2m的

- 1 -

距离，故选用方案二。

根据上面的方案论证，本系统整体框图如图1所示。

键盘左右方向控制信号光敏器件检测光照强度步进电机驱动1（ULN2003A）步进电机1LED激光笔上下方向控制信号步进电机驱2（ULN2003A）步进电机2电流检测恒流源液晶显示单片机MSP430F169电源模块(电池)

图1 系统整体框图

二 理论计算与分析

由于点光源在15秒内要以A为圆心、半径r约173cm的圆周在不大于±45º的范围内移动，也就是说15秒内左右运动的电机只转1/4圈，90度。当电光源运动到不同的位置，点光源与激光笔连线的角度变化，如图2所示：

图2 点光源不同位置转动集合示意图 图3 机械结构简单示意图 点光源在原点时，点光源与激光笔连线的角度为

arctanOB1。arctan30

OA1.73点光源沿直线LM左移30cm时，点光源与激光笔连线的角度为

AM1.7322 0.32 1.757 OB1。αarctan=arctan29.63AM1.757点光源与激光笔连线的角度减小θ=0.4°。

由此可见，左右转动角度大，上下转度角度小。对于电机不可能精确转动这么小的角度，因此在机械结构进行改造。如图3所示，用步进电机带动尼龙线拉板上移。

经测量步进电机轴周长L为1.2cm，距离转轴d= 8.3cm。

- 2 -

X=tan1*dtanα*dtan30。*8.3tan29.3。*8.30.13Xn=0.L

上下移动电机只转1/10圈。对于步进电机可实现。上下电机拉力只带动底部电机，提供力矩足够大。为了避免尼龙线弹性，在板子加上50g的物体。

为了实现慢速精准跟踪光源我们选择型号28BYJ48的步进电机，它的步距角5.625°，1/64的减速比，启动转矩>300g/cm。

三、电路与程序设计

3.1 电路的设计

1）电机驱动电路的设计

采用ULN2003做驱动。信号输入端加上拉电阻以提高输入驱动电流。电路图如4：

+3.3V+5vQ11R1R2R3R44.7K4.7K4.7K4.7K+5VJ1ABCD12345678IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7GNDULN2003AOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7COM161514131211109MAMBMCMDMDMCMBMAJP?12345Q12S9013OUTR11+5V+5V+5V 112750 图4步进电机驱动原理图 图5光敏三极管检测光强原理图

2）检测光照强度电路的设计

采用高灵敏度光敏三极管来检测光照强度，三极管扩大电流的作用。电路图如5：对于点光源的检测，除了使用高灵敏度的三极管外，三极管的数量和布局的选择也至关重要，在本系统中，三极管的布局采用图6的形式，四个光敏三极管分别检测上下左右四个方位的光强，根据光强来判断光源的位置，进而驱动激光笔的运动。

图6 光敏三极管排列示意图

3）系统电源的设计

采用2路稳压芯片TL780-05，将电池电压稳压成2路5v电源，一路专为电机供电，一路为外围电路供电及稳压芯片供电。同时将其中一路5v电压通过稳压芯片AMS1117-3.3稳压到3.3v，为3.3v外围电路供电。 4）LED供电恒流源的设计

- 3 -

恒流源通过开关电源获得，通过调整PWM辅以反馈电路，使得电流恒定。改变反馈，来调整电流的值。 3.2程序设计

1）系统流程图如图7所示

系统初始化包括单片机的端口初始化，AD初始化，液晶初始化，及步进电机的初始化，然后进入键盘中断，选择相应的菜单进入不同的子菜单。子菜单主要包括现场设置及寻光追踪。 2）现场设置流程图如图8所示

通过按键上下左右调整使激光头快速找到光源。 3）寻光追踪子流程图如图9所示

AD采样，比较1号和3号AD值，使激光笔上下运动。比较2号和4号AD值，使激光笔左右运动。

开始初始化主菜单显示Y按键8返回主菜单NN按键中断按键输入Y输入1现场设置Y按键控制NY输入2寻找并跟踪光源AD采样，光强比较电机控制完成按键OK按键返回图 7 系统流程图

N按键扫描NN按键扫描NN按键判断NN按键判断N按键11（上）按键14（下）按键13（左）按键（右）按键11（上）按键14（下）按键13（左）按键（右）YY电机1正转YYYY电机1正转YY电机1正转电机1正转电机1正转电机1正转电机1正转电机1正转

图8 现场设置子程序流程图 图 9 寻光追踪子程序流程图

- 4 -

四、系统测试

1、测试仪器

1）自制点光源：电光源距地面1m，以LED为圆心，半径为60cm的圆盘，将LED聚光处理。

2）卷尺：1个，精度1mm。 3）秒表：1个，精度0.01mm

4）三路直流稳压稳流电源：2个，SG1732SC3A 5）万用表：2个 ，MAS8300L 6）电池 2200 m A.h 7.2V 2、 测试结果与分析

1）通过设置上下左右键控制电机上下左右运动，可以很快使激光笔光束准确对准电光源。

2) 激光笔光点调偏离点光源中心30cm，电流为 300m A。测试结果如下：

表1 左偏中心30cm 表2 上移中心30cm 测量次数 偏离中心 对准时间 1 2 3

表3 右移中心30cm 表4 下移中心30cm

测量次数 偏离中心 对准时间 测量次数 偏离中心 对准时间 1 10mm 1.20s 1 8mm 4.95s 2 9mm 1.10s 2 6mm 5.35s 3 8mm 1.12s 3 5mm 5.40s

8mm 12mm 7mm 4.49s 4.77s 3.05s 测量次数 1 2 3 偏离中心 7mm 6mm 8mm 对准时间 3.87s 3.37s 3.19s 结果分析：上下偏移校正时，偏离中心位置比左右校正时要小，但对准时间要长，主要因为上下控制电机转动角度比左右控制电机转动角度大很多。有时，偏差很大有外界干扰。

3)沿圆弧移动，测试结果如下：

第一次 能够成功追随光源移动，最大偏移5cm，时间为8S。 第二次 能够成功追随光源移动，最大偏移8cm，时间为9S。 第三次 能够成功追随光源移动，最大偏移6cm，时间为8.6S。

结果分析：偏移量有点大主要因为手动操作时快时慢，造成偏移量大。 4）沿直线LM左右移30cm，测试结果如下：

第一次 能够成功追随光源移动，最大偏移5cm，时间为10S。 第二次 能够成功追随光源移动，最大偏移8cm，时间为9.5S。 第三次 能够成功追随光源移动，最大偏移4cm，时间为11S。

5）将电光源向左移动20cm，左右偏移β角度约20°，测试结果如下： 点光源左偏移20°左右时，经过三次测量，能够成功寻到光源。点光源右偏移20°左右时，经过三次测量，能够成功寻到光源。测量结果如表5、表6所示：

- 5 -

表5 左偏移20° 表6 右偏移20°

测量次数 偏离中心 1 2 3 10mm 9mm 8mm 对准时间 4.95s 3.15s 4.00s 测量次数 1 2 3 偏离中心 10mm 9mm 8mm 对准时间 4.18s 4.77s 3.87s 6）改变电流，是电流在250m A 。沿直线LM左右移30cm，测试结果如下 第一次 能够成功追随光源移动，最大偏移5cm。 第二次 能够成功追随光源移动，最大偏移7cm。 第三次 能够成功追随光源移动，最大偏移4cm。

五、 总结

本次设计在硬件上，电路结构比较简单，在软件上连续改进及调试能够基本实现系统所设的要求，并且寻光范围大，适应能力比较好，寻光速度快。时间有限， 四天三夜，系统设计不够完美，但最终还是完成点光源跟踪系统。

- 6 -

附录：

（1）TI芯片列表

MSP430F169 1片 TL780-05KCS 2片 IN128P 1片 OPA07CP 3片

（2）原理图

1. A区域电路原理图设计

S1VCCVCCL11INL7805C47u/25VR92KSoure21LEDC11VCCL21INL7805C+5VOUTGND3+5VOUTGND3+5V+5V a12+5V+5V a12R1+5v2D9C22C330.1u47u/25V+5VR2R3R4+3.3VJP5212345678Header 8+5V c12+5V+5V d12ABCD4.7K4.7K4.7K4.7K+5VJ112345678IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7GNDULN2003AOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7COM161514131211109MAMBMCMDMDMCMBMAJP?123452D10C24C35+5V0.1u47u/25V+5V e12+5V+5V f12R112+3.3V200+5V+5V+5V 112VCCL33INOUT+3.3V2+3.3V+3.3V g12+3.3V+3.3V h121GND/ADJAMS1117-3.31.电源VCC3.3C31+3.3V0.1uFR81Res SemiS210KSW-PBS6SW-PBS10SW-PBS14SW-PBR61Res Semi10KS3SW-PBS7SW-PBS11SW-PBS15SW-PBR71Res Semi10KS4SW-PBS8SW-PBS12SW-PBS16SW-PBR11750Q12S9013R51Res Semi10K2.电机驱动+3.3V+3.3V+3.3V3.液晶接口+3.3V+3.3V h12Q11Q13Q15Q17S11SW-PBS5SW-PBS9SW-PBS13SW-PBK1Q14S9013Q16S9013Q18S9013OUT4K2OUT1R12750OUT2R13750OUT3R14JP12750OUT1OUT2OUT3OUT4K3K4K5K6K7K812344.检测光源 2. 恒流源的设计原理图

C40.01uFCapR1Res210 ohmMURUR3060K0L1Inductor1mH30~36VOUTRes21KR2C5C6Cap Pol14700uFC7Cap Pol14700uFC8C9C10Cap3300uF0.1uFCap Pol1C11Cap0.1uF18Kto V _FB+RLCap Pol1C0Cap0.01uFC14700uFCap Pol1C2Cap0.1uFC32200uFRelay-SPSTPWMIRFP4600.001uFCapCap Pol13300uF2KOUT-0.041I_FBVCCC(-5V)VCC（+15v）mcu goundC330.01uFCap*CTDA_OUT11KRTRD0.01uFCap500Res2U4164367592112VREFOSC OUTSYNCRTDISCCTCMPENIN+IN-GNDUC3525VCCVC1513R31OUT AOUT B111450Res2810100uFCap2R33Res22KRes250R32C32FEEDBACK65C31mcu_gound0.1uFCapVCC(-5V)PWM_OUT84864132U1ADOP07AQ5REF-VIN+IN-RGRG-15V43281I_FB+6+15V75VCC(+5V)7OUT+VINA128PVCC(-5V)U313ADOP07AQ2R4Res210k741386U2ADOP07AQV _FB+C34R35105pf25KCapC35Res Adj1Cap6800pFSSSD257+15VVCC(+5V)C8050VCC(+5V)1Feedbackmcu goundonly one line0.01uFR3Res21KIN4148mcu_goundpower_goundP1.7 - 7 -