1、点光源跟踪系统摘 要：本系统以 为主控芯片，利用 对光源电流进行监控，通4309MSPF270INA过光敏三极管（ ）组成的传感器阵列检测点光源发出的光信号，经过双DU运算放大器 将信号滤波放大，并经由 自带 模块转换21OA439MSPFAD处理，系统使用 PI 算法，控制由步进电机构成的云台工作，从而达到对点光源的跟踪。关键字： 光敏三极管 PI 算法 云台 细分430MSP2目 录一、方案的设计和论证 .11、控制器的选择 .12、传感器的选择 .13、 电 机 驱 动 的 选 择 .1二、系统总体设计方案及实现方框图 .2三、理论分析与计算 .21、电机细分数的确定 .22、电机定位误
2、差分析 .23、离散型 PI 控制的设计 .3四、主要功能电路的设计 .31、 白 光 LED 驱 动 及 检 测 模 块 .42、 光 照 检 测 模 块 .43、 电 机 驱 动 模 块 .4五、系统软件的设计 .41、软件的设计 .42、 软 件 流 程 图 .5六、测试数据与分析 .51、使用仪器及型号 .52、测试方案 .63、测量数据 .64、数据分析 .6七、总结分析与结论 .6八、附录 .61一、方案的设计和论证根据题意可知，本系统是一个典型的闭环控制系统，组成模块有控制器、电机驱动、云台（步进电机） 、检测模块，其整体结构如图 1 所示：发光 1W LED 的电流可调，光敏三
3、极管组成的传感器阵列检测点光源发出的光信号，检测到的信号经处理后交由单片机，MSP430 通过算法来确定步进电机要偏转的角度，并产生 PWM 波控制步进电机上下左右的转动，从而使激光笔指向点光源。1、控制器的选择方案一：采用 51 系列单片机，该类单片机的抗干扰能力较强，上手容易，应用比较广泛，但其 IO 口比较有限，而系统的实现程序量较大，所需的 IO 口资源较多看，51 单片机在这一点上难以胜任。方案二：利用 TI 的单片机 MSP430，该芯片集成了模拟电路、数字电路、微处理器，具有 AD 采样、比较器、产生 PWM 控制信号等功能。此外，MSP430有更充足的 I/O 口，可以很好的实
4、现整个系统的控制。综上分析，系统采用方案二。2、传感器的选择方案一：采用 CCD 图像采集传感器，该传感器在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面都具有优越性，但是算法很复杂，难于在短时间内实现。所以此方案没有被采纳。方案二：可见光照度传感器，该传感器是一个光电集成传感器，内置敏感元接收器，可见光范围内，输出电流照度呈线性变化，暗电流小，低照度响应，灵敏度高。方案三：光敏三极管，光敏三极管的种类一般为硅管和锗管，可选择接受波长接近 LED 光谱的硅光敏三极管，其输出电流和照度也成线性变化，通过合理的布局，将传感器阵列和激光笔固定在一起，传感器阵列动态检测光源位置和强弱。光敏三级管与可
5、见光照度传感器满足要求，综合考虑，选择方案三，光敏三极管在反映速度，变化灵敏度方面都有较好的特性。3、 电 机 驱 动 的 选 择控 制 激 光 笔 转 动 的 是 两 步 进 电 机 组 成 的 云 台 ， 电 机 驱 动 方 案 如 下 ：方 案 一 ： 利用驱动专用芯片 L298，L298 是集成的桥式驱动电路，最大驱动电流可达到 4A。该芯片使用时外围电路简单，控制方法十分方便。而且其驱MSP430 电机驱动 云台（步进电机）信号处理 感光元件图一 运动控制系统及其组成2动效果良好，配合 L297 可实现步进的精确控制。方案二：使用细分芯片 THB7128，该驱动芯片将 L298、L2
6、97 集成，并将电机的工作方式增设为八种，通过 M1、M2、M3 的选择来控制细分数，且该芯片具有发热量小的优点，最大细分可达 128 细分 。由于 L298 芯片发热量大，若不注意散热及电路保护极容易烧毁，故不太稳定，为了达到精确的控制，且在电机运行过程中有较小的步进角而不产生失步，系统选用方案二作为步进电机的驱动模块。二、系统总体设计方案及实现方框图本系统以 MSP430 为控制核心，通过键盘确定云台工作方式，单片机 AD 采集数据后处产生 PWM 波给电机驱动，以决定电机所要转动的角度，从而控制云台运动。点光源电流由 INA270 检测，并由单片机处理显示在 LCD，总体方框图如下：三、
7、理论分析与计算1、电机细分数的确定根 据 题 意 ， 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45 的范围内移动，系统所选步进电机的步进角为 1.8 度，电机每转一度，激光点在光源处移动的距离 为：L:20tan1.8629Lcm:显然不满足题目要求，要减小 ,就须得对电机的步进角进行细分，从而减小误差，采用细分芯片 THB7128 对单步进行细分，设计为 64 细分，则有： .ta()0.64c细分后可大大减小误差，且使电机平滑转动，达到所需指标。2、电机定位误差分析控 制 电 机 启 停 的 PWM 波 频 率 为 ， 实际
8、测验中由于光敏三极管受到1KHz环境光的影响以及电路本身造成的各类噪声影响使得三极管输出电平会不断跳变，为了提高采样值的准确性，程序设定为每采样 15 次进行一次求平均值处理。MSP430电源系统键盘 电机驱动光敏三极管12864步进电机激光笔点光源图二 总体方框图3激光束定位到光源点时将信号输入单片机处理后输出给电机停止命令是需要时间的，这段时间内电机仍处于上一个工作状态，故而电机停止后会出现一段定位误差 , 的大小取决于单片机采样频率 （设为 )，则实际S: f5fKHz采样频率为 。步进电机的步进速率为 500 步/s，步进角为531KHzz，再由几何关系可计算得投影在 LED 灯后的圆
9、盘上的线速度 ：1.864 v1.820tan(50).9764vcms再除以实际采样频率即可得定位误差 = 。若要减小该误差可以适S:当加大采样频率，本系统在程序控制采用电机转动时关 AD 中断，从而减小了这一误差。3、离散型 PI 控制的设计本系统中的光敏三极管分布如下：当正对光源时，对采集回来的信号进行了调整校正。调整为 、ABV、 ,校正之后方便于寻光。CDVEF在跟踪光源过程，为使激光笔正对光源，利用左右两端光敏三极管 A、B的幅值之差 逐次逼近并达到校准时的给定值 ,当程序判定()ABxtVx:时即说明激光束已对准 LED 光源。算法中将其输出作为一个有效采样()xt:值 ，再使用
10、 PI 算法将校准值与实际值的偏差量作为输入量，通过不断修正偏差量的值使输出值快速地逼近校准值,PI 算法的一般公如下： 01()()()PIytKxttdyT式中比例 值设为 1， 为处理后输出量， 为偏差值输入量， 为PKtxt IT积分时间常数, 为 PI 调节前的输出量。通过积分防止了干扰信号造成的突变0y量的影响，但由于 的每次取值都有一个采样时间间隔使该函数较离散，所()xt以将上式修改为：4001()()()sPiIytKxttyT其中 ， 为输入比较总量， 代表跳变较大的突变量。如此边可做stntn到过滤突变量影响的作用，该算法称为离散型 PI 控制算法。四、主要功能电路的设计
11、1、 白 光 LED 驱 动 及 检 测 模 块 系统采用 LM317 线性稳压芯片，由芯片特性得 端与 端电压恒为ADJOUTV。电路中需要 的可调电流。 ，故 范围为.25V1503mA:1.25OUTIR，应采用阻值为 的功率滑阻。318.:检测电流与输出电压呈线性关系，关系式为： ,为7INA 0.675SOUTV了达到 电压小于 ,设 的电流对应输出电压为 ，则由关系430MSP.3V503式得 。电流为 时，监测电阻阻值大小为 ，15VmA1.sR故应采用 的功率电阻。若为 时， ,此时 ，其.1m750S0.67O原理图见附录图四。2、 光 照 检 测 模 块系统采用 检测光照，
12、接收光信号的频谱中心频率为 ， 发3DU85nmLED出的光谱是离散谱，是由两个波长的光复合而成的白光，日光灯的谱线也是离散的，是经过 100Hz 频率调制过的光，所以必须加滤波器以滤除。由于输出的电压幅值较小，最大约为 ，信号还需放大。送入单片机最电压设为 ，40mV2V故放大倍数为 5 倍，选择低失调电压的双运放 。光敏三极管经射极跟21OPA随，输出电压进行滤波。设计为 的低通，三极管输出电阻可忽略，滤波电1Hz阻阻值为 16K，电容为 。故 。频率为 。F2fRC9.8Hz原理图见附录图五。3、 电 机 驱 动 模 块电 机 驱 动 使 用 细 分 芯 片 THB7128，根据 PDF
13、 采用该芯片的典型应用电路，原理图见附录图六。检测电阻选用 的功率电阻，则电流和基准电压的设置按1如下的公式计算 。 为衰减时间设置，在此取电容为 。5refOSVIRC20pF五、系统软件的设计1、软件的设计为了加强系统的适应性，系统在初始化时先将激光对准光源，并读取六个传感器的采集数据，系统将红外传感器读取的数据求差，并记录 AB 传感器、CD传感器、EF 传感器的差值 、 、 作为系统默认锁定光源的参变量。校1x:23x5准后将激光头偏离光源，并开始跟踪光源，跟踪过程，对差值进行比较，即分别读取偏离环境后水平方向四个传感器的参数值和竖直位置对称传感器的参数值 ，再通过 PI 算法将差值转
14、化为对应步进电机的转向角度。()et软件采用水平方向，竖直方向交替采样，纠正角度的方法，首先对 CD 光敏三极管进行扫描，纠正角度，当差值 时，开始对 AB 三极管进行扫描，2()etx:当 时，系统默认为水平跟踪完成。当 ，则竖直方向跟踪完毕。1()etx: 3()t校正完毕，继续读取差值，若有变化，则重复以上步骤。在系统运行过程中，启停指令的发送以及模式的切换由键盘发送，而显示则由液晶 12864 完成。2、 软 件 流 程 图图三 软件流程图6六、测试数据与分析1、使用仪器及型号清华同方计算机： CPU+内存+操作系统直流稳压稳流电源：型号 YB1731A 3A 万用表：型号 MS826
15、5数字存储示波器： 型号 GOS-1062 数字信号源： 型号 SG1040 其它设备：米尺 秒表2、测试方案按 照 题 目 要 求 ， 用 实 物 搭 建 模 型 ， 移 动 光 源 或 改 变 电 流 ， 本LED小组一人利用矩阵式按键负责选择单片机工作状态；一人负责使用秒表计时，最小刻度取 0.01s；另一人站在直径 60cm 的黑色圆盘后手动控制支架移动，同时利用一端固定在 LED 所在位置对应的圆盘背面的直尺读取误差值。由于测量时光束移动较快，故而跟踪过程的最大偏差值是估测的。3、测量数据第 一 次 测 量 第 二 次 测 量测 试内 容最 大偏 差定 位偏 差所 用时 间最 大偏
16、差定 位偏 差所 用时 间左 右偏 30cm8m1.48s5m1.7s上 下偏 607440圆 弧跟 踪 25.s .s直 线跟 踪 30m4128m126转 角跟 踪 8.0s5.95s亮 度调 节 5393484、数据分析系 统 使 用 了 自 适 应 环 境 的 校 准 以 及 PID 算 法 ， 使 得 跟 踪 效 果 很 好 ，每 次 定 位 完 成 时 ， 其 最 大 偏 差 都 保 持 在 以 内 ， 很 多 时 候 可 以 达 到 无1cm偏 差 。 但 外 界 环 境 改 变 ， 会 引 起 较 大 的 偏 差 ， 如 拉 开 窗 、 打 开 日 光 灯 。 由于 没 有 对 进 行 光 谱 调 制 ， 这 种 干 扰 无 法 消 除 。LED七、总结分析与结论该系统对于静止点光源定位的精度都较为准确，可见自适应、离散型 PI 等一系列算法减小误差的作用明显,有效地通过算法滤除了光敏三极管输入的干扰信号。另一方面，一个稳定且精度高的机械结构也很重要，只有保证了云台的平稳才能使激光束移动轨迹平滑准确，只有尽可能使竖直和水平方向的光敏三极管分布不偏斜，才能减小不必要的采样误差。系统的缺陷是没有对 的光谱进行调制，使得自然LED光对系统的干扰很大，但在较暗环境下，所有的指标是都可以达到的。八、附录7图四 LED 驱动及检测模块8图五 滤波放大电路图六 电机驱动
