3-點(diǎn)光源跟蹤(MSP430.點(diǎn)光源追蹤(差模輸入),舵機(jī)控制)

1、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 2010年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請(qǐng)賽-點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)（B題）作者:朱灑(16007520) 何東輝(16007524) 陳玉偉(16007514)學(xué)校:東南大學(xué)點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告指導(dǎo)老師:作者:朱灑 何棟輝 陳玉偉東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院摘 要本方案采用程控恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈,INA270A測(cè)量電流,光敏三極管作為傳感器采集光強(qiáng)信號(hào),采用雙軸舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)光源的全方位三維立體跟蹤,選用TI公司的MSP430F4260作為處理器.D/A輸出控制LED燈的亮度,兩路PWM輸出用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)軸上的電機(jī),分別采用兩個(gè)光敏三極管作為兩個(gè)軸方向上的差動(dòng)輸入,有效

2、抑制了環(huán)境光的影響,經(jīng)A/D采集輸入,邏輯判斷,控制兩個(gè)舵機(jī)動(dòng)作,確保點(diǎn)光源位于四個(gè)光敏三極管正對(duì)的中心,實(shí)現(xiàn)了快速,準(zhǔn)確,全方位跟蹤的目標(biāo). 關(guān)鍵字: 恒流LED 光敏三極管 舵機(jī) INA270AbstractThe LED lights is driven by programmable constant current source,measuring current by IN270A,collecting the light intensity signals by phototransistor, using a biaxial servo actuator to realize

3、the full range of electrical light three-dimensional tracking, choosing TI's MSP430F4260 as the processor. D / A output controls LED light intensity, two motors on axi-x and axi-z are driven by two PWM outputs, each one with two phototransistors that were used as two differential inputs, inhibit

4、ing the effects of environmental light effectively, via A / D acquisition input, logic to judge, control two servo action to ensure that the point source is on the centre of the four phototransistors, achieving tracking of target fastly, accurately and comprehensively.Keyword : Constant Current LED

5、phototransistor steering INA270一、 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì):二、方案論證:1.電機(jī)模塊方案方案一:步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng).采用帶減速器的28BYJ48型步進(jìn)電機(jī),理論精度可達(dá)5.625/64°,且控制簡(jiǎn)單,響應(yīng)速度快.但電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力有限,不易用兩個(gè)做成雙軸形式,只能實(shí)現(xiàn)二維平面上的跟蹤,當(dāng)沿直線移動(dòng)點(diǎn)光源時(shí)點(diǎn)光源會(huì)脫離光敏三極管組成的斜面,造成跟蹤誤差.方案二: TowerPro MG945金屬齒大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng).可以在一個(gè)舵機(jī)的軸上固定另一個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)雙軸追蹤,且有成品可直接使用.控制采用pwm波脈寬直接調(diào)節(jié)偏移角度,控制起來(lái)也很方便.所以本作品采用方案二.2.點(diǎn)光源接收方

6、案方案一:光電池采集采用光電池進(jìn)行光強(qiáng)采集,由于光電池短路電流與光強(qiáng)呈線性關(guān)系,經(jīng)I/F變換可輸出隨光強(qiáng)線性變化的電壓信號(hào).但由于采集距離有兩米遠(yuǎn),電壓變化較很小,要經(jīng)過(guò)背景光消減,差模信號(hào)放大等一系列信號(hào)調(diào)理才能送入單片機(jī).而且關(guān)電池接收面積大,不容易確定電光源位置.方案二:光敏三極管差動(dòng)采集光敏三極管靈敏度遠(yuǎn)高于光電池,但受外界環(huán)境影響飄動(dòng)比較嚴(yán)重,用兩個(gè)光敏三極管采集電光源兩側(cè)的光強(qiáng)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(gè)有聚光功能的透鏡,更容易確定點(diǎn)光源的位置.因此,選擇方案二.3.LED驅(qū)動(dòng)模塊方案方案一:采用壓控恒流源.通過(guò)運(yùn)放op07,場(chǎng)效應(yīng)管以及采樣電

7、阻組成壓控恒流源(詳細(xì)原理見(jiàn)下文),通過(guò)D/A輸出精確控制,這樣控制方便,唯一的缺點(diǎn)是采用線性電源,當(dāng)電流較大時(shí)穩(wěn)壓管發(fā)熱比較嚴(yán)重,能源利用效率不高.但通過(guò)添加散熱片,可以用于一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn).方案二:采用TPS61062專用LED驅(qū)動(dòng)芯片該芯片采用開(kāi)關(guān)電源模式,效率較高可達(dá)80%,但由于采用貼片封裝,雖然經(jīng)過(guò)電路板引出,我們測(cè)試時(shí),只實(shí)現(xiàn)了PWM對(duì)其亮度的控制,對(duì)于數(shù)字控制方式精確控其電流沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn),所以不得不放棄這個(gè)方案.因此,最終我們選擇了方案一.4.電流測(cè)量模塊方案一:采用小阻值的精密電阻或者康銅絲,但很遺憾我們手邊沒(méi)有買到器材.方案二:采用9個(gè)1普通電阻電阻并聯(lián).然后使用INA270

8、轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化,經(jīng)過(guò)換算后通過(guò)液晶顯示出來(lái).采用9個(gè)1普通電阻并聯(lián)不僅可以減小流過(guò)每個(gè)電阻的電流減小發(fā)熱的影響,還可以提高電阻精度減小誤差.三、各模塊原理,實(shí)現(xiàn)以及理論分析計(jì)算:1. LED驅(qū)動(dòng)及電流檢測(cè)電路如下:Op07虛短,DAC輸入電壓相當(dāng)于直接加到R2上,忽略放大器輸入段以及場(chǎng)效應(yīng)管基極電流,漏極電流為VDAC/R2.其中R2采用7個(gè)18電阻并聯(lián).要求驅(qū)動(dòng)電流為150mA到350mA可調(diào),VDAC=R2*I,變化范圍為0.386V-0.9V.MSP430的DA端口很容易產(chǎn)生這樣的參考電壓電壓,我們采用步進(jìn)25mA的調(diào)節(jié)方式.當(dāng)電流為最大值350mA時(shí),采樣電阻

9、上的電壓為(0.35/9)v,INA270有著固定的增益為14，最終輸出的最大電壓為0.544V.MSP430自帶的16位SD16_A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,可實(shí)現(xiàn)很精確的測(cè)量.而實(shí)際上0.11歐姆電阻很小,易受焊點(diǎn)導(dǎo)線等影響,實(shí)際采樣電阻大于0.11歐姆,我們通過(guò)測(cè)量一組實(shí)驗(yàn)值,進(jìn)行校準(zhǔn)最終得到了較理想的測(cè)量結(jié)果.另外,為保證場(chǎng)效應(yīng)管工作在線性區(qū),又不至于功率損耗過(guò)大.LED驅(qū)動(dòng)電源電壓VCC選取為7V.2. 光源檢測(cè)模塊電路圖如下:VCC取5v，兩個(gè)10k的滑動(dòng)變阻器用于校準(zhǔn)兩個(gè)光敏三極管因參數(shù)不對(duì)稱造成的差模輸入。將OUT1,OUT2送到單片機(jī)A0通道，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于SD16_A采用Del

10、ta-Sigma結(jié)構(gòu)，全差分輸入，就可以通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果判斷光筆追蹤位置與實(shí)際光源位置的差別，為舵機(jī)的控制提供邏輯參考。3電機(jī)模塊的驅(qū)動(dòng)及控制TowerPro MG945金屬齒大扭矩舵機(jī)采用5V電源電壓供電，工作時(shí)控制端輸入頻率約為50HZ的PWM波。當(dāng)正脈寬從0.5ms變化到到2.5ms時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)約180度（實(shí)測(cè)比180略大）。電路圖如下:控制這兩個(gè)電機(jī)所需的PWM波由定時(shí)器TA產(chǎn)生。事先已將系統(tǒng)主時(shí)鐘MCLK和系統(tǒng)子時(shí)鐘SMCLK設(shè)置為8MHZ。將TA的時(shí)鐘設(shè)置為SMLK/8.計(jì)算CCRO的方法如下：N=(1MHZ)/50=20000;將定時(shí)器A工作模式設(shè)置為模式7,即復(fù)位/置位模式時(shí)

11、,當(dāng)CCR1的值從540變化到2420時(shí),舵機(jī)輸出角度從最小變化到最大, CCR2也是同樣的控制方式.通過(guò)P1.2,P1.3口輸出的PWM波很容易實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的控制.四、 軟件設(shè)計(jì):1.算法分析(1) 追蹤核心算法由于本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)稱的一對(duì)光敏三極管采集的光強(qiáng)差判斷光源位置,程序執(zhí)行時(shí)首先采集光強(qiáng)差,A/D采用雙極性輸入方式,當(dāng)左右光強(qiáng)相等時(shí),A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為0x8000h.當(dāng)A/D采樣結(jié)果大于此值時(shí),改變pwm輸出占空比,讓舵機(jī)增加一個(gè)角度;當(dāng)小于此值時(shí)減小一個(gè)角度.但考慮到采集的誤差,執(zhí)行過(guò)程中,電機(jī)會(huì)在中心點(diǎn)附近來(lái)回抖動(dòng).所以在0x8000h附近設(shè)置一定死區(qū),即采樣結(jié)果大于0x8000h

12、+buff或小于0x8000h-buff時(shí)電機(jī)才動(dòng)作.當(dāng)然這是以犧牲響應(yīng)速度和精度為代價(jià)的.將buff設(shè)置為在線可調(diào),經(jīng)反復(fù)調(diào)試,得到一較理想結(jié)果.(2) LED驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)及電流測(cè)量.由于只要改變壓控恒流源輸入電壓,就可以精確控制輸出電流,按鍵改變dacout的輸出值即可.電流測(cè)量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算即可得到測(cè)量值.(3) 鍵盤(pán)及l(fā)cd驅(qū)動(dòng)鍵盤(pán)采用中斷加掃描的算法.由于P1口可作為中端口使用.按鍵時(shí)P1的某個(gè)端口由高變低產(chǎn)生下降沿中斷.掃描確定按鍵位置,然后用變量key將其保存,留待主程序使用.(電路圖見(jiàn)附錄) Lcd驅(qū)動(dòng)采用開(kāi)發(fā)板自帶頭文件,在此不多贅述.2.程序流程圖(1)主

13、程序流程圖 (2)追蹤子程序流程圖五、 系統(tǒng)測(cè)試:1.跟蹤性能測(cè)試(1) 將激光筆偏離30cm跟蹤測(cè)試(2) 將光源以A為圓心,移動(dòng)20°測(cè)試(3) 直線移動(dòng)60cm測(cè)試(4) 支架20°旋轉(zhuǎn)測(cè)試(5) 改變LED燈亮度測(cè)試上述情況實(shí)際測(cè)量時(shí)上述條件的變化對(duì)我們的跟蹤都沒(méi)有太大影響.因?yàn)槲覀儾捎玫氖莾蓚€(gè)舵機(jī)所以可以在空間內(nèi)跟蹤電光源.因?yàn)槲覀儾捎貌顒?dòng)方式采集光強(qiáng),LED燈亮度的較小改變對(duì)測(cè)量影響不大,除非光減弱到傳感器采集不到的情況.2.驅(qū)動(dòng)電流及其檢測(cè)測(cè)試給定電流(mA)150175200225250300325350實(shí)測(cè)電流(mA)156177201223245289312338電阻伏安特性不是一條嚴(yán)格的直線電流變大時(shí)測(cè)量誤差變大,通過(guò)更好的曲線擬合,或者用康銅絲等穩(wěn)定的電阻應(yīng)該可以更好的提高精度.目前的誤差在15mA以內(nèi)可以接受.六、結(jié)論:本方案采用雙軸多舵機(jī)驅(qū)動(dòng),可以在三維空間的范圍內(nèi)跟蹤光源.差動(dòng)輸入有