文档介绍：点光源跟踪系统
摘要
本设计主要以TI公司的超低功耗MCUMSP430处理器为核心,控制步进电机带动激光笔实现白光LED点光源的跟踪,并设计制作了一个点光源跟踪的系统,达到了题目规定的基本和发挥部分的要求,效果较好。
该系统由430单片机最小系统、点光源检测、步进电机驱动等电路组成,利用八个光电二极管实现点光源强度和移动方向的检测,通过信号放大和处理,送单片机内部八路AD采样电路,单片机将采样结果经过两次数字程序滤波后,进行分析和处理,控制步进电机运转的步距和方向,从而达到点光源的精确跟踪。
光源偏离方向检测和光强度检测采用八个廉价的光电传感器,并将它们分为两组,采用对两组传感器采集的数据分别求平均值的算法,实现对环境光线的滤除和光源偏离方向的判断,算法简单,合理高效。
同时增加了电机转动角度的测量和显示功能。
关键字:单片机 LED点光源光敏二极管步进电机
一、系统设计方案、控制算法选择与论证
系统设计方案设想与论证
为了选择符合设计系统所需的光电传感元件,以及能更好的实现光源跟踪功能,通过对常见半导体光敏元件进行试验和测试比较,结果如下表:
光电传感器
光敏电阻
光敏二极管
红外接收管
器件特性
纯电阻性,两端电压随光照强度变化
主要利用硅PN结受光照后产生光电流
利用PN结单向导电性,能接收并响应红外射线
对光源敏感程度
具有在特定波长的光照射下,其阻值迅速减小
无光照二极管截止,受到光照时,二极管导通
无光照时暗电流小截止,受光照时,二级管导通
检测距离
检测距离有限,远距离感应电压信号弱
感应距离远,能采集有用信号
检测距离远
光线干扰
易受外界光线特别是白天普通可见光。
内置电磁屏蔽,抗太阳光干扰强
方向性强,受外界干扰小,适合红外光
电
压
变
化
曲
线
(1)
相对平稳
(2)
相对平稳
(3)
变化率较大
感光元件都有共同点,即将光信号转换为电信号。但在不同的工作环境要求中,各自都存在优缺点,如就检测距离而言,红外接收管探测距离远,但电压变化率相对较大。而光敏电阻探测距离近,电压变化相对平稳等。本次设计要求探测距离在100cm处,且能准确快速探测到光源,根据以上器件比较,光敏二极管具有较宽的检测范围,红外接收管具有较强的方向性和抗干扰能力,为满足设计需要和实现准确定位功能,选择光敏二极管和红外接收管两者优点相结合的方式是最佳选择。
光源跟踪方案选择
方案一:直流电机带动激光笔。采用直流电机作为执行元件,直流电机具有优良的调速特性,调整范围广,过载能力强,能承受频繁的无极快速启动、制动和反转,但定位性能较差。在本次设计中,要求激光笔能通过电机在微小范围内带动旋转,直流电机,基本无法实现本次设计中快速准确跟踪点光源的功能。
方案二:减速步进电机带动激光笔。采用减速步进电机作执行元件。步进电机有将电脉冲信号转变为角位移或线位移的功能,以及电机的转速,停止的位置也只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,通过输入的脉冲时序和个数控制电机的旋转角度大小和运转方向,步进电机的转换精度高,驱动电路简单。
本次设计主要运用于微小角度范围内的精确测量,需使用较小角度的步距角,利用带有减速功能的步进电机可通过使用不同的传动比得到较小的步距角。
通过对上述两种电机的功能特点的简要介绍,选用减速步进电机作为带动激光笔旋转电机为最佳方案,本系统采用两相、传动比为1:30的减速步进电机,,基本能满足步进电机驱动激光笔在一定角度范围内精确探测光源位置的功能。
方案一:采用两个光敏二极管采集光信号,通过时时比较两电信号大小来控制电机转动,由于两电信号易受环境影响,且干扰很大,易引起电机在大范围内振荡,导致跟踪源左右晃动。
方案二:采用多个光敏二极管进行采光处理,理论上通过分别比较处于两对称处的光敏二极管的电压信号大小控制电机转动方向,由于每个光敏二级管的性能参数不能完全一致,测得电压信号不完全准确,难以达到预期效果,此方案不易实现。
方案三:采用多个光敏二极管平均分为两组,分别位于跟踪源两侧,通过AD多次采样,利用平均滤波原理,对每路光敏二极管进行的多次测得的AD数据进行求平均值计算,然后将每组中各光敏二极管所得的平均值进行求和运算,再将两电压和进行比较,通过电压比较的第一次结果控制电机偏转方向,利用均值滤波原理,可有效的抵抗环境光的干扰,同时控制电机的偏转方向也相对较稳定,在实际中也易于实现。框图如下图所示。
方案确定
基于以上方案的优缺点比较,本设计