譚翠蘭

（江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，湖北武漢430056）

點光源跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

譚翠蘭

（江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，湖北武漢430056）

以TI公司的單片機(jī)MSP430F149為核心，設(shè)計了一個點光源跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由白光LED驅(qū)動電路、光源檢測、數(shù)據(jù)處理及跟蹤控制4部分構(gòu)成。單片機(jī)對光敏電阻檢測到的光照強(qiáng)度進(jìn)行處理，判斷點光源的位置，跟蹤算法通過PWM方式控制X/Y方向的兩個步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動激光筆跟蹤光源。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能較好地跟蹤光源并具有自適應(yīng)性，在對太陽能的跟蹤方面具有參考價值。

MSP430F149；點光源跟蹤；光敏電阻；步進(jìn)電機(jī)

0 引言

當(dāng)今社會，石油、煤炭等傳統(tǒng)能源日益緊缺，環(huán)境污染日益加劇，如何高效、全方位地實現(xiàn)對太陽能利用的研究具有現(xiàn)實意義。在太陽能熱水器、太陽能電池板等領(lǐng)域中普遍存在能源轉(zhuǎn)換效率偏低的問題，多數(shù)場合的太陽能設(shè)備采用固定朝南安裝的方式對太陽能進(jìn)行采集，有的根據(jù)太陽的運動規(guī)律定時對太陽進(jìn)行跟蹤，但這些方法都沒有充分利用太陽能資源［1］。對太陽進(jìn)行實時跟蹤可較大限度改善太陽能設(shè)備的工作效率，充分提高太陽能的利用率。筆者在實驗室中，采用激光筆對亮度可調(diào)的點光源進(jìn)行實時跟蹤，其原理在對太陽能的自動跟蹤研究具有參考價值［2］。

1 系統(tǒng)設(shè)計要求

點光源跟蹤系統(tǒng)要求能夠檢測并指示光源位置（見圖1）。點光源B為功率1W的單只白光LED，固定在一支架上。LED的電流能夠在150～350mA的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。初始狀態(tài)下光源中心線與支架間的夾角θ為60°，光源距地面高約為100 cm，支架可以用手動方式沿著以A為圓心、半徑r約173 cm的圓弧在不大于±45°的范圍內(nèi)移動，也可以沿直線LM移動。在光源后3 cm的距離內(nèi)、光源中心線垂直平面上設(shè)置一直徑不小于60 cm的暗色紙板。點光源跟蹤系統(tǒng)A放置在地面，通過使用光敏器件檢測光照強(qiáng)度來判斷光源B的位置，并以激光筆實時跟蹤指示光源的位置。

圖1 點光源跟蹤系統(tǒng)實驗室模型Fig. 1 Experimental model of point light source tracking system

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 設(shè)計原理

為實現(xiàn)對點光源位置的判斷，將跟蹤用的激光筆放置于激光筆筒中心，筆筒長約15 cm，直徑約5 cm，并在筆筒靠近底部的內(nèi)壁上均勻布置4個光敏電阻，用于接收并檢測點光源B的光照強(qiáng)度，激光筆筒內(nèi)壁為黑色涂層，可有效降低環(huán)境光的干擾。通過光電轉(zhuǎn)換電路將光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)變成電信號，送至單片機(jī)進(jìn)行AD采樣，光敏電阻接收的光照強(qiáng)度不同，采樣值就會變化。通過適當(dāng)?shù)乃惴?，根?jù)4個光敏電阻采樣值的變化可以判斷光源的位置。

激光筆筒俯視圖如圖2所示，正中心點為激光筆，圓筒底部內(nèi)壁右下左上4個方向的光敏電阻分別標(biāo)號1、2、3、4。

2.2 系統(tǒng)框圖

整個系統(tǒng)的方案原理框圖見圖3。

圖2 光敏電阻在圓筒底部的分布圖Fig.2 Photosensitive resistances d istribution in cylinder bottom

圖3 系統(tǒng)原理框圖Fig.3 System p rincip le diagram

本系統(tǒng)工作時，由光敏電阻接收LED光，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路處理后，送入單片機(jī)采樣。單片機(jī)首先對環(huán)境光采集并存儲，采集環(huán)境光時，可以通過系統(tǒng)板上的按鍵調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)帶動激光筆轉(zhuǎn)動指向點光源，當(dāng)對準(zhǔn)光源后按下系統(tǒng)板上的確認(rèn)鍵記錄下環(huán)境光線值，以后每次都將采集的信號與環(huán)境光值進(jìn)行分析比較，從而判斷激光筆是否偏離了點光源。根據(jù)比較的結(jié)果，單片機(jī)會控制步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)從而帶動激光筆實時跟蹤LED光源。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

3.1 LED驅(qū)動電路

本實驗系統(tǒng)要求點光源為150～350mA范圍可調(diào)的恒流源供電，可利用運算放大器和三極管組成恒流電路驅(qū)動LED發(fā)光，如圖4所示。

圖4 LED驅(qū)動電路Fig.4 LED d rive circuit

該恒流源電路為V/I轉(zhuǎn)換電路，三極管3DD207起反向放大和電流輸出作用，由TL431產(chǎn)生2.5 V電壓經(jīng)過電位器分壓后輸入到運放正相端口。由于TLC272的開環(huán)增益和輸入電阻足夠大，輸出電流只與電路參數(shù)和輸入電壓有關(guān)，而與負(fù)載電阻無關(guān)，電路具有恒流性能。

3.2 光電轉(zhuǎn)換電路

用于接收光源信號的4個光敏電阻均勻地分布在筆筒靠近底部的內(nèi)壁上。由光敏電阻構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 光電轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Photoelectric conversion circuit

當(dāng)光敏電阻表面受到LED燈光照射較強(qiáng)時，其電阻阻值變小。在實際情況中，光敏電阻R5偏離光源就會導(dǎo)致其阻值發(fā)生變化。由于分壓電路的作用，提供給運放輸入端的信號電壓也會隨之產(chǎn)生變化。在圖5所示的電路中，第一級運放起信號放大作用；第二級運放為電壓跟隨器，又起隔離作用。第二級運放輸出直接送至單片機(jī)進(jìn)行AD采樣。這樣，4路光敏電阻經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路后可由MSP430F149單片機(jī)采得各路的AD值。

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動采用Leetro公司的DMD402A兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。其最大細(xì)分?jǐn)?shù)256，最大輸出電流2 A（峰值），可半流調(diào)節(jié)，具有短路、過熱保護(hù)功能。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器接線圖如圖6所示。

1）上排端子：DC+，DC-接電源（DC14V～DC40V，最好為非穩(wěn)壓型電源，紋波峰值不超過40V），A+、A-接電機(jī)A相，B+、B-接電機(jī)B相。

2）下排端子：Ena-、Ena+不接，Dir-、Pul-兩線均接地。Dir+接單片機(jī)IO口，當(dāng)Dir+=1時，電機(jī)順時針轉(zhuǎn)；當(dāng)Dir+=0時，電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)。Pul+接單片機(jī)的PWM輸出口，當(dāng)有PWM輸出時，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動［3］。

電機(jī)的安裝說明如下：在實驗中為使激光筆能準(zhǔn)確跟蹤光源，需要控制激光筆能上下移動和左右移動，因此要使用水平方向和垂直方向兩個電機(jī)帶動激光筆轉(zhuǎn)動，圖7為電機(jī)基座結(jié)構(gòu)圖，圖中電機(jī)1主軸轉(zhuǎn)動時可帶動激光筆上下轉(zhuǎn)動，電機(jī)2主軸轉(zhuǎn)動時可帶動激光筆左右轉(zhuǎn)動，兩個電機(jī)之間用90°轉(zhuǎn)角支架相連。

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接線圖Fig.6 Stepperm otor driver w iring diagram

圖7 電機(jī)基座結(jié)構(gòu)圖Fig.7 M otor foundation structure

如圖6、圖7所示，P2.0口控制豎直方向電機(jī)的轉(zhuǎn)動，當(dāng)P2.0=0時，P4.2引腳輸出PWM波，驅(qū)動電機(jī)1逆時針轉(zhuǎn)動，帶動激光筆往上移動；當(dāng)P2.0=1時，P4.2引腳輸出PWM波，驅(qū)動電機(jī)1順時針轉(zhuǎn)動，帶動激光筆往下移動。P2.2口控制水平方向電機(jī)的轉(zhuǎn)動，當(dāng)P2.2=0時，P4.1引腳輸出PWM波，驅(qū)動電機(jī)2逆時針轉(zhuǎn)動，帶動激光筆往左移動；當(dāng)P2.2=1時，P4.1引腳輸出PWM波，驅(qū)動電機(jī)2順時針轉(zhuǎn)動，帶動激光筆往右移動［4］。電機(jī)驅(qū)動程序如下。

/********控制PWM運行或者停止*********/ channel：1：TB1（P4.1）通道，2：TB2（P4.2）通道onoff：0：停止PWM輸出，1：開始PWM輸出/****************************************/

void GoPwm（unsigned char channel，unsigned char onoff）｛

switch（channel）｛

case 1：//PWM 1

if（onoff==ON）｛

TBCCR1=iScale1；

TBCCR0=iFre；

TBCTL|=TBSSEL_2+ MC_1；//打開定時器，計數(shù)模式1

｝

else

TBCCR1=0；

break；

case 2：//PWM 2

if（onoff==ON）｛

TBCCR2=iScale2；

TBCCR0=iFre；

TBCTL|=TBSSEL_2+ MC_1；//打開定時器，計數(shù)模式1

｝

else

TBCCR2=0；

break；

default：

break；

｝

｝

若要電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動激光筆往上移動，只需執(zhí)行如下代碼：

P2OUT&=～BIT0；

GoPwm（2，ON）；//筆往上移

同理，可得出激光筆往左右和往下移動的代碼。

4 跟蹤算法

在系統(tǒng)跟蹤前測試一組激光筆對準(zhǔn)點光源的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為環(huán)境光線值，然后將激光筆調(diào)偏離點光源后再測試幾組數(shù)據(jù)，激光筆偏離點光源后的數(shù)據(jù)與環(huán)境光線值作比較，可得出數(shù)據(jù)變化的規(guī)律，從而找到有效的跟蹤算法。在設(shè)計跟蹤算法前，需測試多組數(shù)據(jù)分析其變化規(guī)律，作為確定算法的依據(jù)，以下取一組典型數(shù)據(jù)進(jìn)行說明（見表1）。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可得出如下規(guī)律：①當(dāng)激光筆往下偏時，下面光敏電阻接收到的光增多，上面光敏電阻接收的光減少；當(dāng)筆往上偏時，則相反。②當(dāng)激光筆往右偏時，右邊光敏電阻接收的光增多，左邊光敏電阻接收的光減少；當(dāng)筆往左偏時，則相反。③激光筆上下移動時，左右兩邊的光線差值變化不大；激光筆左右移動時，上下兩邊的光線差值變化不大。

根據(jù)以上規(guī)律，可得出算法，下面以控制激光筆左右移動作進(jìn)行說明，上下移動類推。

1）若左邊值遠(yuǎn)大于右邊值，則激光筆應(yīng)右移。

2）若右邊值遠(yuǎn)大于左邊值，則激光筆應(yīng)左移。

3）當(dāng)左右值比較接近時，進(jìn)行趨勢判斷：若當(dāng)前左右差值減去初始環(huán)境光左右差值大于某值，則說明激光筆在左右方向上偏離了光源，那么需要調(diào)節(jié)水平方向的電機(jī)轉(zhuǎn)動，具體轉(zhuǎn)動依據(jù)如下：

a）若左邊增加，右邊減小，說明激光筆往左偏離了光源，則激光筆應(yīng)往右轉(zhuǎn)。

表1 測試采樣值Tab.1 Tested sam p ling value

b）若左邊減小，右邊增加，說明激光筆往右偏離了光源，則激光筆應(yīng)往左轉(zhuǎn)。

c）若左邊減小，右邊減小，則說明背光了，應(yīng)將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)動方向取反。

在單片機(jī)的內(nèi)存單元中開辟一組緩存存放AD采樣數(shù)據(jù)，AD_NUM為緩存長度，其值可在頭文件中定義，定義上下左右的AD值儲存緩存數(shù)組分別為ad_up［AD_NUM］、ad_down［AD_NUM］、ad_left［AD_NUM］、ad_right［AD_NUM］。其中ad_up［0］、ad_down［0］、ad_left［0］、ad_right［0］為當(dāng)前最新的AD值，ad_up［AD_NUM-1］、ad_down［AD_NUM-1］、ad_left［AD_NUM-1］、ad_right［AD_NUM-1］為最舊AD值，每次AD采樣將緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

系統(tǒng)上電后，可通過系統(tǒng)板上按鍵調(diào)整激光筆對準(zhǔn)點光源，以獲得初始環(huán)境光線值。在系統(tǒng)板上設(shè)置兩個按鍵分別控制跟蹤任務(wù)的開啟和停止，當(dāng)保存了環(huán)境光線值后啟動跟蹤，只要不按下系統(tǒng)板上停止按鍵，則該系統(tǒng)一直實時跟蹤光源，具體軟件算法流程如圖8所示。

需要指出的是：程序算法里采用差值進(jìn)行比較，判斷差值的增量是否超過設(shè)定值△，而不是用絕對值作比較。因為環(huán)境光線隨時會發(fā)生變化，但這種變化對于上下左右4個方向光敏電阻的影響基本一致，采用差值可消除環(huán)境光的影響，也可消除LED光源變化帶來的影響。控制激光筆水平移動和上下移動時，涉及到具體的算法，這里給出水平移動相關(guān)的算法，豎直移動的算法可類推（程序中用dlt為根據(jù)測試數(shù)據(jù)設(shè)定的一常量）。

if（ad_left［0］＞ad_right［0］+dlt）

｛電機(jī)右移｝

else if（ad_righ［0］＞ad_left［0］+dlt）

｛電機(jī)左移｝

else//趨勢判斷

｛

圖8 軟件算法流程圖Fig.8 Software algorithm flow chart

if（（ad_left［0］＞ad_left［AD_NUM-1］）&&（ad_right［0］＜ad_right［AD_NUM-1］））

｛激光筆右移｝

else if（（ad_left［0］＜ad_left［AD_NUM-1］）

&&（ad_righ［0］＜ad_right［AD_NUM-1］））

｛電機(jī)朝相反方向轉(zhuǎn)｝

else if（（ad_left［0］＜ad_left［AD_NUM-1］）

&&（ad_righ［0］＞ad_right［AD_NUM-1］））

｛激光筆左移｝

｝

5 結(jié)語

經(jīng)過測試，本系統(tǒng)可較好地跟蹤點光源，當(dāng)光源在移動時可對其實現(xiàn)實時跟蹤，整個系統(tǒng)功能完善，所采用的算法在光源信號強(qiáng)度發(fā)生改變時具有較好的自適應(yīng)性，在對太陽能的跟蹤控制方面具有一定的參考價值。

［1］MECKE R，HARZH.太陽光源跟蹤伺服系統(tǒng)建模與仿真分析［J］.魏厚震，袁海文，王秋生，譯.電力電子，2011（1）：15-18.

［2］陳麗娟，周鑫.基于ARM嵌入式圖像處理平臺的太陽跟蹤系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（4）：71-74.

［3］曹磊.MSP430單片機(jī)C程序設(shè)計與實踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［4］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Design of Point Ligh t Sou rce Track ing System

TAN Cui-lan
（Schoolof Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Designs a point light source tracking system based on TI Company′s MCU MSP430F149.The system is composed of four parts：white LED driver circuit，light source detect?ing circuit，data processing and tracking control device.The MCU processes the data of light intensi?ty which detected with photosensitive resistances device，and two steppermotorsmoving in X/Y di?rection with PWM method，so as tomake the laser pen track the lightsource.Introduces theworking principle of the system，gives the hardware design circuitand partofmechanical structure，and elab?orates the key tracking algorithm.The experiment results show that this system can track the light source better and has self-adaptability；ithas good reference value in the tracking of solar energy.

MSP430F149；point light source tracking；photosensitive resistance；stepper motor

TP23

A

1673-0143（2014）01-0049-06

（責(zé)任編輯：曾婷）

2013-12-03

譚翠蘭（1981—），女，實驗師，碩士，研究方向：單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)。