基于MSP430169的点光源跟踪系统.docVIP

点光源跟踪系统 【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两个电机，分别上下左右转动两个电机，分别上下左右向的转动—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。 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 点光源沿直线LM左移30cm时，点光源与激光笔连线的角度为 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。 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： 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 恒流源通过开关电源获得，PWM控制芯片选用UC3525，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。通过继电器切换不同采样点来实现负载的恒压、恒流控制。 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，