点光源跟踪系统设计报告.doc-资料库

ggggiawywfnh-4297062-4744300845192097713.doc.pdf-第1页.png

第1页 / 共13页

ggggiawywfnh-4297062-4744300845192097713.doc.pdf-第2页.png

第2页 / 共13页

ggggiawywfnh-4297062-4744300845192097713.doc.pdf-第3页.png

第3页 / 共13页

ggggiawywfnh-4297062-4744300845192097713.doc.pdf-第4页.png

第4页 / 共13页

ggggiawywfnh-4297062-4744300845192097713.doc.pdf-第5页.png

第5页 / 共13页

ggggiawywfnh-4297062-4744300845192097713.doc.pdf-第6页.png

第6页 / 共13页

ggggiawywfnh-4297062-4744300845192097713.doc.pdf-第7页.png

第7页 / 共13页

ggggiawywfnh-4297062-4744300845192097713.doc.pdf-第8页.png

第8页 / 共13页

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 1

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 1

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

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 1

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元件对光的敏感程度对光照的响应速度输出特性线性度检测距离光敏电阻阻抗与外界光照有关，同一光照下阻抗呈线性响应速度慢在日常光照射下的线性较好光电流与外界光照有关，同一电压下光照越强光电流越大，呈非线性响应时间快，适用于光电流与照度成线性关系或在高频率下工作状态光敏二极管的光电流小，不容易捕捉，但输出特性线性度好检测距离有限，比较近，3 米外信号变弱检测距离较远光敏二极管光敏三极管光电流与外界光照有关，同一电压下光照越强光电流越大，呈非线性响应时间慢, 适用于灵敏度高，工作频率低的开关电路光敏三极管的光电流大，输出特性线性度较差检测距离较远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。图 2 感光测试示意图 2

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） 10 20 30 40 50 60 70 80 90 127 67.1 59 54 41.4 36.5 20.3 12.8 11.5 距离 h(cm) 100 110 120 130 140 150 160 170 180 阻值 (KΩ) 10.4 9.9 8.95 8.19 8.01 8.14 8.2 7.89 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 3

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。 3 1 5 7 6 2 8 4 光源跟踪系统光源光敏器件遮光板图 5 光源跟踪俯视示意图方案二：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。 4

将电路处理后的信号送入单片机，经过单片机逻辑时序控制步进电机准确旋转了一定角度，使得光源跟踪器旋转方位准确可控，更方便软件复位，反馈控制电机角度偏差，形成闭环控制，通过实验可知，当利用其他多路 AD 信号采集处理，将光源大致方位确定后，利用另外多路相近传感器进行微调，使得光源定位精确，稳定，可靠。通过对实验结果进行综合比较，驱动器采用两台步进电机进行精确控制旋转角度带动光源跟踪器，进行实时跟踪。 2.4 方案确定 3 1 6 5 8 7 4 2 遮光处理后的光敏器件遮光板图 6 光敏电阻布局示意图图 7 实物图基于以上多种方案的优缺点的比较与论证，采用布局合理进行遮光处理的光敏器件检测光源位置变化，采用嵌入式微控制器 MSP430 结合步进电机进行光源寻踪。光敏器件布局如图 6 所示，其中 1、2、3、4 器件与 5、6、7、8 器件阻值一样,且要求对称布置，目的是为了实现更加精确的方位检测；同时将光敏电阻紧贴遮光板放置，这样当光源转动时，相对应的光敏电阻所接收到的光线会有较大的差异，那么处于背光面的光敏电阻会发生较大变化，送入单片机的信号就会增大，从而提高了步进电机的灵敏度，使得光源跟踪器旋转方位更加准确。实物图如图 7 所示。 2.5 方案论证经过多种方案的论证，采用不同阻值的光敏电阻对称布置，进行点光源跟踪检测，并把检测信号转换后传送给微控制器 MSP430 产生控制信号，通过控制步进电机进行精确光源寻踪定位，实现点光源跟踪系统的设计。 5

资料库

点光源跟踪系统设计报告.doc

相关推荐

行业

热门标签

最新资料