基于單片機MSP430的點光源跟蹤系統(tǒng)設計

1、 基于msp430的點光源跟蹤系統(tǒng)設計 周小軍 何志龍 武小棟摘要 本設計采用MSP430F149 單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，利用4個光敏三極管來接收點光源發(fā)出的光并將檢測到的信號放大后傳給控制器MSP430F149單片機，經(jīng)過單片機的運算和處理來確定點光源的位置，并將運算的控制信號傳給兩臺步進電機，使其跟隨點光源運動。當水平方向上的2路光敏三極管測量數(shù)值相對接近，同時豎直方向上的2路光敏三極管測量數(shù)值也相對接近時，位于傳感器中間的激光筆將精確的指向點光源。關鍵詞： MSP430 點光源 跟蹤 傳感器 1 方案設計與論證 根據(jù)題目的要求，系統(tǒng)的設計可分為控制器（msp430）模塊，電機驅動

2、模塊，點光源檢測模塊，液晶顯示模塊，LED驅動模塊組成。系統(tǒng)設計總框圖如圖1：光敏三極管鍵盤MSP430F1491602液晶 縱軸電機橫軸電機圖1 系統(tǒng)設計總框圖1.1主控芯片的選擇方案一：采用傳統(tǒng)的51單片機，運用比較廣泛，上手比較快。但是本系統(tǒng)的程序量比較大，內(nèi)部資源要求比較豐富，51單片機難以勝任這些功能。 方案二：采用MSP430F149低功耗單片機，其I/O口資源豐富，有12位AD轉換、16位定時器、精密的比較器等，信息處理功能強大，能夠很好的實現(xiàn)系統(tǒng)的要求。故選擇此方案。1.2電動機的選擇本系統(tǒng)電機的主要作用是調(diào)整激光筆的位置，指向點光源，可選取的類型如下方案：方案一：步進電機。在

3、非超載的情況下，電機的轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。每給一次脈沖信號，電機能夠轉過一個步距角。方案二：直流減速電機。此電機在正常通電狀態(tài)下，轉速平穩(wěn)，角度的變化也近乎連續(xù)，控制簡單方便。根據(jù)設計的要求可知，直流減速電機的速度不容易控制，而步進電機的控制和實現(xiàn)相對簡單一些。因而選用方案一。1.3電動機驅動方案的選擇本系統(tǒng)中選的是步進電機，步進電機驅動有一下三種方案可選擇：方案一：采用功率三極管作為功率放大器的控制步進電機。線性型驅動的電路結構和原理簡單，加速能力強，但是電路比較復雜。方案二：采用由達林頓晶體管陣列ULN2003。用單片機控制達林頓管使之工作在

4、占空比可調(diào)的開關狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機轉速。單驅動能力比較弱。方案三：采用恒壓橋式驅動芯片L298N。驅動能力強，電路簡單，使用方便。故選擇此方案。1.4傳感器的選擇本系統(tǒng)的傳感器主要是檢測光照度，可考慮的傳感器如下列方案：方案一：光敏電阻。從光照特性來看，隨著光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降，可以反映光照的變化，但該特性大多數(shù)情況為非線性，部分光照區(qū)間內(nèi)，特性變化不靈敏。方案二：光敏二極管。光敏二極管具有單向導電性，無光照時，有很小的暗電流，當受到光照時，光電流隨射光強度的變化而變化。方案三：光敏三極管。光敏三極管靈敏度遠高于光電池,但受外界環(huán)境影響飄動比較嚴重,用兩個光敏三極管采

5、集點光源兩側的光強差,可以有效消除外界環(huán)境光的干擾.光敏三極管接收面不僅小而且是一個有聚光功能的透鏡,更容易確定點光源的位置。用四個光敏三極管組成四象限感光面，上下左右各一個光敏三極管。經(jīng)實踐測定，光敏二級管與光敏三極管滿足要求，但在反映速度，及變化的靈敏、快速性方面，光敏三極管更勝一籌，故傳感器選擇方案三。2 硬件電路的設計 2.1 1W LED驅動電路用LM317三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，可以通過簡單的電路連接得到恒流源I=1.25/R +I（I=50A），可移動過精密電位器調(diào)節(jié)R2從而改變I，得到相應的電流范圍用來驅動大功率LED燈。電路如圖2所示：圖2 1W LED驅動電路2.2 信號檢測

6、電路3DU33采集到光信號后，使整個電路導通，再通過運算放大器將微弱的電流信號放大，從而使單片機MSP430F149更好的處理信號。整體電路如圖3所示：圖3 信號采集電路2.3步進電機驅動電路設計為了達到較好的跟蹤電光源的目的，本設計采用兩個步進電機來配合跟蹤系統(tǒng)工作。電機驅動電路如圖4所示圖4 步進電機驅動電路2.4鍵盤設計本系統(tǒng)中鍵盤的作用是調(diào)整。如果點光源不在光敏三極管檢測的范圍就不能檢測點光源的光照，所以需要手動調(diào)整步進電機使其尋找到點光源。鍵盤就在這個過程中應用。鍵盤電路如圖5所示圖5 鍵盤電路3 系統(tǒng)程序設計3.1 跟蹤系統(tǒng)流程圖圖6 系統(tǒng)總體流程圖否是開始鍵2鍵1鍵4初始化模式選

7、擇鍵3鍵5模式1反轉停止正轉模式2光源檢測驅動電機追蹤測量是否光強最大保存數(shù)據(jù)并停止測量3.2 軟件設計 本系統(tǒng)軟件設計部分主要包括按鍵選擇部分，ADC采集轉換部分，液晶驅動部分，執(zhí)行部分。按鍵選擇部分，設置P2.0P2.4下降沿中斷。P2.0鍵按下后選擇模式1即電光源圓周運動模式，P2.1控制電機正轉，P2.2控制電機反轉，P2.3使電機停止轉動，P2.4選擇模式2即點光源直線運動模式。其中P2.1、P2.2、P2.3三個按鍵用于調(diào)整，當電光源不在測量范圍時，可以按鍵控制使電機轉動到可測量區(qū)域。ADC采集轉換部分，設置P6.0P6.3為光敏三極管信號輸入端口，經(jīng)過單片機ADC12算法處理，把

8、處理結果進行比較，并把部分結果在液晶上顯示。液晶驅動部分占用P4全部端口和P3部分端口。此部分程序用于液晶的初始化以及控制液晶顯示。執(zhí)行部分，通過比較經(jīng)過水平方向兩個光敏三極管電流的大小，確定縱軸電機的轉動方向，通過比較經(jīng)過豎直方向兩個光敏三極管電流的大小，確定橫軸電機的轉動方向。當水平、豎直兩個電流值之差在一確定范圍時，電機停止轉動，此時激光筆指向電光源所在位置。此外，電機運行狀態(tài)會在液晶上顯示。4結語本設計基本上能按照要求對點光源進行跟蹤。單片機通過對外部光電信號的采樣轉換比較得到電機運行指令?？筛鶕?jù)控制系統(tǒng)的追蹤時間要求來改變脈沖的頻率，以此來改變步進電機的旋轉速度帶動工作臺進行實時跟蹤, 在電路中增加了手動校準電路，可以使光敏三極管快速的尋找到點光源的大概位置，然后實施自動跟蹤功能。設計過程中我們碰到的最大的問題是硬件部分，最終在仔細的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了問題，并加以解決。5參考文獻：1全國大學生電子設計大賽獲獎作品選編.北京理工大學出版社 20052 MSP430單片機常用模塊與