崔琪琳，吳曉鳳

（西安石油大學(xué)，電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著光機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，光源自動(dòng)跟蹤技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，該技術(shù)可應(yīng)用于太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤等領(lǐng)域，使太陽(yáng)能的利用率和吸收率更高。傳統(tǒng)的光源跟蹤技術(shù)多以單片機(jī)為控制核心[1]，其處理速度慢，精度低，已不能滿足系統(tǒng)對(duì)于跟蹤速度和精度的要求，故本文提出了一種基于ARM的光源自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，可以提升跟蹤系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。

1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用TI的LM3S811作為微控制器[2]。硬件系統(tǒng)由光源發(fā)射部分，檢測(cè)部分和控制部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示，驅(qū)動(dòng)芯片UCC38C43驅(qū)動(dòng)LED產(chǎn)生的亮度可調(diào)的光源，通過(guò)光敏三極管捕獲光源信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器TLC084進(jìn)行放大處理，再經(jīng)過(guò)比較器OPA084后輸入主控芯片LM3S811,對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行分析處理后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊L297+L298驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)光源跟蹤。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 光源發(fā)射部分

光源發(fā)射部分采用UCC38C43芯片驅(qū)動(dòng)，該芯片為低功耗電流模式PWM控制器，最高頻率可達(dá)1MHz，可以產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)電源變壓器的PWM信號(hào)，采用交錯(cuò)技術(shù)可以顯著提高升壓轉(zhuǎn)換效率，利用其輸出電流峰值可達(dá)1A和可調(diào)的PWM輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈，實(shí)現(xiàn)亮度可調(diào)節(jié)的光源發(fā)射。

1.2 檢測(cè)部分

檢測(cè)部分是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，決定了系統(tǒng)跟蹤的精確度，電路圖如圖2所示，由5個(gè)光敏三極管組成，其靈敏度和穩(wěn)定性好，分別置于可沿固定軸翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)上，形成120°圓弧形切面，激光發(fā)生器與處于正中間的三極管盡可能地緊密固定在一起，且都指向圓弧外側(cè)。通過(guò)對(duì)光源信號(hào)進(jìn)行采集，由單電源供電運(yùn)算放大器TLC084對(duì)其進(jìn)行50倍放大，后經(jīng)跟隨器OPA820對(duì)其進(jìn)行跟隨以得到更好的波形，將其輸入到LM3S811控制芯片的ADC引腳，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，比較得出的最大值點(diǎn)即為光源點(diǎn)。

圖2 檢測(cè)部分電路圖

LM3S811的A/D模塊的轉(zhuǎn)換分辨率為10位，支持4個(gè)輸入通道，含有一個(gè)可編程的序列發(fā)生器，它可在無(wú)需控制器干涉的情況下對(duì)多個(gè)模擬輸入源進(jìn)行采樣，其觸發(fā)控制非常靈活[6]，本設(shè)計(jì)采用軟件觸發(fā)方式，該觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于操作。

1.3 控制部分

由于步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有累計(jì)誤差，適用于開(kāi)環(huán)控制，本設(shè)計(jì)選取五線制步進(jìn)電機(jī)，額定電壓24V,電流0.34A，其中間引出一條線可直接接地。由LM3S811控制驅(qū)動(dòng)芯片L297+L298，此芯片可直接由I/O端口提供模擬時(shí)序信號(hào)，由其驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)固定有可翻轉(zhuǎn)檢測(cè)平臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，通過(guò)兩個(gè)電機(jī)分別控制這兩個(gè)平臺(tái)，使得檢測(cè)部分能夠進(jìn)行水平和豎直方向上對(duì)電光源檢測(cè)。用齒輪，滑輪、紐帶結(jié)合軟件控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，最終實(shí)現(xiàn)激光在90°范圍內(nèi)對(duì)光源的跟蹤，使用L297+L298可以作成兩相雙極性的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示，它采用定電流方式驅(qū)動(dòng)，每相電流峰值可達(dá)2A，L297是步進(jìn)電機(jī)控制器，用來(lái)產(chǎn)生兩相雙極性驅(qū)動(dòng)信號(hào)（A、B、C、D）與電機(jī)電流設(shè)定，L298是用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電力輸出，是雙全橋方式驅(qū)動(dòng)，由于采用雙極性驅(qū)動(dòng)，因此電機(jī)線圈被完全利用，使步進(jìn)電機(jī)可以達(dá)到最佳的驅(qū)動(dòng)。

由于電機(jī)步距角很小，大大提高了控制精確。電路接線和電機(jī)控制容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性強(qiáng)，符合我們?cè)O(shè)計(jì)的要求。

圖3 電機(jī)控制部分電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是該系統(tǒng)的重要部分，檢測(cè)和控制多是軟件實(shí)現(xiàn)的，其任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)軟件控制功能。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

首先將電機(jī)位置初始化，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)在一側(cè)，開(kāi)始單向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光敏三極管掃描，電機(jī)60步換向，在未搜索到點(diǎn)光源前一直進(jìn)行搜索。若搜到點(diǎn)光源，計(jì)算角度誤差，若無(wú)誤差，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)激光照射的點(diǎn)即為點(diǎn)光源；若有誤差，計(jì)算誤差輸出量控制電機(jī)移動(dòng)，激光跟隨到點(diǎn)光源，電機(jī)停轉(zhuǎn)即完成點(diǎn)光源跟蹤。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將點(diǎn)光源固定在半徑為30cm的黑色圓形擋光板上，將板固定在高一米的支架上，使光源中心線和支架呈60°夾角，檢測(cè)與跟蹤平臺(tái)置于地面，距點(diǎn)光源支架1.73m，初始狀態(tài)下使激光指向點(diǎn)光源，將點(diǎn)光源沿水平和圓周移動(dòng)，記錄激光跟蹤點(diǎn)光源的間和誤差，調(diào)整電流改變點(diǎn)光源亮度，重復(fù)以上過(guò)程，結(jié)果如表1所示。

如表1所示，點(diǎn)光源電流為100mA時(shí)，當(dāng)點(diǎn)光源中心水平移動(dòng)時(shí)，激光能夠在短時(shí)間內(nèi)跟蹤點(diǎn)光源，由于光敏三極管和激光發(fā)射器在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有完全重合，存在一定的誤差，故激光不能與點(diǎn)光源完全重合；將其初始化，再以檢測(cè)裝置為圓心，將光源支架在10-15s內(nèi)沿著圓周緩慢平穩(wěn)移動(dòng)20°，激光能夠連續(xù)跟蹤指向LED點(diǎn)光源，距離點(diǎn)光源4.5cm；調(diào)節(jié)點(diǎn)光源的電流為50mA改變亮度，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，同樣可以得到期望的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)點(diǎn)光源的跟蹤精度和速度都有很大提升，點(diǎn)光源亮度在一定范圍變化后，同樣可以實(shí)現(xiàn)跟蹤。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本系統(tǒng)是基于ARM微處理器LM3S811的控制系統(tǒng)，通過(guò)光敏檢測(cè)和對(duì)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)光源的跟蹤,硬件搭建和電路實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)，符合實(shí)際跟蹤滿意度，性價(jià)比高，實(shí)用性強(qiáng)，具有廣泛的發(fā)展前景,可應(yīng)用于如太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)等。

[1]張?zhí)扃?，姜寶鈞，鄧興成.基于MCS—51單片機(jī)的光源跟蹤[J].科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù),2006(12)：39-40.

[2]黃爭(zhēng).德州儀器高性能單片機(jī)和模擬器件在高校中的應(yīng)用和選型指南[M].上海：德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)有限公司大學(xué)計(jì)劃部，2010:166-167.

[3]BiCMOSLOW-POWER CURRENT-MODE PWM CONTROLLER.pdf[Z].2003.

[4]太陽(yáng)發(fā)電自動(dòng)光源跟蹤系統(tǒng)[J].伺服系統(tǒng)，2009(10).

[5]Michael Day.降低亮度再現(xiàn)真實(shí)色彩PWM調(diào)光增強(qiáng)LED顯示器色純度[J].電子測(cè)試,2006(5):78-80.

[6]吳彩林，潘小波.電力數(shù)據(jù)采集A_D轉(zhuǎn)換器的選擇方案[J].電子測(cè)試,2006(6):65-67.

[7]向平，高潔，張晉.基于ARM7的太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2009（11）：44-46.

[8]張艷敏，羅海兵.基于ARM芯片的步進(jìn)電機(jī)加減速控制[J].河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009(2):47-49.