點光源跟蹤(MSP430點光源追蹤(差模輸入),舵機控制)

1、.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽 2010年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請賽-點光源跟蹤系統(tǒng)（B題）作者:朱灑(16007520) 何東輝(16007524) 陳玉偉(16007514)學(xué)校:東南大學(xué)點光源跟蹤系統(tǒng)設(shè)計報告指導(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驅(qū)動LED燈,INA270A測量電流,光敏三極管作為傳感器采集光強信號,采用雙軸舵機作為驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu),實現(xiàn)了點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)動兩個軸上的電機,分別采用兩個光敏三極管作為兩個軸方向上的差動輸入,有

2、效抑制了環(huán)境光的影響,經(jīng)A/D采集輸入,邏輯判斷,控制兩個舵機動作,確保點光源位于四個光敏三極管正對的中心,實現(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 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 TIs 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, inhibiting

4、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 phot

5、otransistor steering INA270一、 系統(tǒng)整體設(shè)計:二、方案論證:1.電機模塊方案方案一:步進電機驅(qū)動.采用帶減速器的28BYJ48型步進電機,理論精度可達5.625/64,且控制簡單,響應(yīng)速度快.但電機驅(qū)動能力有限,不易用兩個做成雙軸形式,只能實現(xiàn)二維平面上的跟蹤,當(dāng)沿直線移動點光源時點光源會脫離光敏三極管組成的斜面,造成跟蹤誤差.方案二: TowerPro MG945金屬齒大扭矩舵機驅(qū)動.可以在一個舵機的軸上固定另一個舵機實現(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,控制起來也很方便.所以本作品采用方案二.2.點光源接收方案方案一:光電池采集

6、采用光電池進行光強采集,由于光電池短路電流與光強呈線性關(guān)系,經(jīng)I/F變換可輸出隨光強線性變化的電壓信號.但由于采集距離有兩米遠,電壓變化較很小,要經(jīng)過背景光消減,差模信號放大等一系列信號調(diào)理才能送入單片機.而且關(guān)電池接收面積大,不容易確定電光源位置.方案二:光敏三極管差動采集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(yán)重,用兩個光敏三極管采集電光源兩側(cè)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.因此,選擇方案二.3.LED驅(qū)動模塊方案方案一:采用壓控恒流源.通過運放op07,場效應(yīng)管以及采樣電阻組成壓控恒流源(詳

7、細原理見下文),通過D/A輸出精確控制,這樣控制方便,唯一的缺點是采用線性電源,當(dāng)電流較大時穩(wěn)壓管發(fā)熱比較嚴(yán)重,能源利用效率不高.但通過添加散熱片,可以用于一段時間的實驗.方案二:采用TPS61062專用LED驅(qū)動芯片該芯片采用開關(guān)電源模式,效率較高可達80%,但由于采用貼片封裝,雖然經(jīng)過電路板引出,我們測試時,只實現(xiàn)了PWM對其亮度的控制,對于數(shù)字控制方式精確控其電流沒有能夠?qū)崿F(xiàn),所以不得不放棄這個方案.因此,最終我們選擇了方案一.4.電流測量模塊方案一:采用小阻值的精密電阻或者康銅絲,但很遺憾我們手邊沒有買到器材.方案二:采用9個1普通電阻電阻并聯(lián).然后使用INA270轉(zhuǎn)換為電壓信號,送入

8、單片機進行A/D轉(zhuǎn)化,經(jīng)過換算后通過液晶顯示出來.采用9個1普通電阻并聯(lián)不僅可以減小流過每個電阻的電流減小發(fā)熱的影響,還可以提高電阻精度減小誤差.三、各模塊原理,實現(xiàn)以及理論分析計算:1. LED驅(qū)動及電流檢測電路如下: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效應(yīng)管基極電流,漏極電流為VDAC/R2.其中R2采用7個18電阻并聯(lián).要求驅(qū)動電流為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25mA的調(diào)節(jié)方式.當(dāng)電流為最大值350mA時,采樣電阻上的電壓為(0.35

9、/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進行A/D轉(zhuǎn)換,可實現(xiàn)很精確的測量.而實際上0.11歐姆電阻很小,易受焊點導(dǎo)線等影響,實際采樣電阻大于0.11歐姆,我們通過測量一組實驗值,進行校準(zhǔn)最終得到了較理想的測量結(jié)果.另外,為保證場效應(yīng)管工作在線性區(qū),又不至于功率損耗過大.LED驅(qū)動電源電壓VCC選取為7V.2. 光源檢測模塊電路圖如下:VCC取5v，兩個10k的滑動變阻器用于校準(zhǔn)兩個光敏三極管因參數(shù)不對稱造成的差模輸入。將OUT1,OUT2送到單片機A0通道，進行A/D轉(zhuǎn)換。由于SD16_A采用Delta-Sigma結(jié)構(gòu)

10、，全差分輸入，就可以通過A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果判斷光筆追蹤位置與實際光源位置的差別，為舵機的控制提供邏輯參考。3電機模塊的驅(qū)動及控制TowerPro MG945金屬齒大扭矩舵機采用5V電源電壓供電，工作時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時電機轉(zhuǎn)過約180度（實測比180略大）。電路圖如下:控制這兩個電機所需的PWM波由定時器TA產(chǎn)生。事先已將系統(tǒng)主時鐘MCLK和系統(tǒng)子時鐘SMCLK設(shè)置為8MHZ。將TA的時鐘設(shè)置為SMLK/8.計算CCRO的方法如下：N=(1MHZ)/50=20000;將定時器A工作模式設(shè)置為模式7,即復(fù)位/置位模式時,當(dāng)CCR1的值從5

11、40變化到2420時,舵機輸出角度從最小變化到最大, CCR2也是同樣的控制方式.通過P1.2,P1.3口輸出的PWM波很容易實現(xiàn)兩個電機的控制.四、 軟件設(shè)計:1.算法分析(1) 追蹤核心算法由于本設(shè)計通過對稱的一對光敏三極管采集的光強差判斷光源位置,程序執(zhí)行時首先采集光強差,A/D采用雙極性輸入方式,當(dāng)左右光強相等時,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,改變pwm輸出占空比,讓舵機增加一個角度;當(dāng)小于此值時減小一個角度.但考慮到采集的誤差,執(zhí)行過程中,電機會在中心點附近來回抖動.所以在0x8000h附近設(shè)置一定死區(qū),即采樣結(jié)果大于0x8000h+buff或小于0x

12、8000h-buff時電機才動作.當(dāng)然這是以犧牲響應(yīng)速度和精度為代價的.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)動電流調(diào)節(jié)及電流測量.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.電流測量通過A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)過簡單計算即可得到測量值.(3) 鍵盤及l(fā)cd驅(qū)動鍵盤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P1的某個端口由高變低產(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.(電路圖見附錄) Lcd驅(qū)動采用開發(fā)板自帶頭文件,在此不多贅述.2.程序流程圖(1)主程序流程圖 (2)追

13、蹤子程序流程圖五、 系統(tǒng)測試:1.跟蹤性能測試(1) 將激光筆偏離30cm跟蹤測試(2) 將光源以A為圓心,移動20測試(3) 直線移動60cm測試(4) 支架20旋轉(zhuǎn)測試(5) 改變LED燈亮度測試上述情況實際測量時上述條件的變化對我們的跟蹤都沒有太大影響.因為我們采用的是兩個舵機所以可以在空間內(nèi)跟蹤電光源.因為我們采用差動方式采集光強,LED燈亮度的較小改變對測量影響不大,除非光減弱到傳感器采集不到的情況.2.驅(qū)動電流及其檢測測試給定電流(mA)150175200225250300325350實測電流(mA)156177201223245289312338電阻伏安特性不是一條嚴(yán)格的直線電流變大時測量誤差變大,通過更好的曲線擬合,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驅(qū)動,可以在三維空間的范圍內(nèi)跟蹤光源.差動輸入有效抑制