【摘要】本文設(shè)計(jì)是以達(dá)盛公司Cortex-M3超低功耗單片機(jī)為控制核心，通過五個(gè)光敏電阻模塊來檢測(cè)光照，當(dāng)以光敏三極管組成的感光探頭接受光照產(chǎn)生電信號(hào)經(jīng)過放大器放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，得到的數(shù)字信號(hào)送到主控芯片，在主控芯片經(jīng)過一系列的處理產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的相關(guān)信號(hào)，將這些信號(hào)送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)兩電機(jī)的左右轉(zhuǎn)，以至于可以找到點(diǎn)光源的位置。但由于技術(shù)受限，最終的靈敏度和精確度不是很高，處于半自動(dòng)的狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】太陽能；利用率；自動(dòng)追蹤；Cortex-M3；技術(shù)受限

前言

隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，資源的需求量不斷加大，光是地球上最豐富的可再生利用的綠色環(huán)保能源，在利用集熱器收集它的熱能或通過太陽能電池板將其轉(zhuǎn)換成電能的工程中，都希望發(fā)揮最大效率。本文采用的是TI公司LM3S811超低功耗單片機(jī)為控制核心，利用一些外圍部件來實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的自動(dòng)追蹤。通過光源跟蹤系統(tǒng)幫助受光平面跟隨光源運(yùn)動(dòng)以獲得充足的光達(dá)到最大利用率。跟蹤系統(tǒng)主要是一個(gè)單片機(jī)控制的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該系統(tǒng)具有半自動(dòng)，跟隨精度高，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1、系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)和各功能模塊的選型。

總體設(shè)計(jì)是感光模塊將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成變化的電信號(hào)，所有的電信號(hào)發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而將數(shù)字信號(hào)傳送到主控芯片LM3S811，在主控芯片里通過比較各路信號(hào)的大小來決定驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到探頭追蹤光源的目的。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以細(xì)分驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而可以使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)。同時(shí)，本系統(tǒng)還可以通過按鍵調(diào)速電路來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，調(diào)速信號(hào)傳輸?shù)街骺匦酒院?，通過改變PWM波的占空比來改變其功率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此時(shí)此刻，電機(jī)的速度級(jí)別會(huì)在顯示速度模塊顯示。

根據(jù)硬件總體設(shè)計(jì)圖來對(duì)系統(tǒng)的各主要功能模塊進(jìn)行選型。本次設(shè)計(jì)要求探測(cè)距離在100cm處，且能準(zhǔn)確快速探測(cè)到光源，相比之下光敏三極管具有較寬的檢測(cè)范圍，且符合此次系統(tǒng)的要求，所以選擇光敏三極管組成的光電轉(zhuǎn)換模塊來擔(dān)當(dāng)探頭。考慮到本系統(tǒng)使用的模擬信號(hào)輸入總共有9路輸入信號(hào)，本系統(tǒng)選擇TLC2543芯片。主控芯片選TI公司提供的LM3S811。

為了設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定精確的系統(tǒng)，使用混合式步進(jìn)電機(jī)及帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)模塊。

2、追蹤點(diǎn)光源方案選擇

取A、B、C、D、E、F、G、H、I九個(gè)同一型號(hào)的感光模塊，以E為中心，A、C以BD直線對(duì)稱表示豎直方向的，B、D以AC直線對(duì)稱表示水平面的。在整個(gè)系統(tǒng)的周圍安置F、G、H、I，用于采集其他光源的影響。將這些信號(hào)作為比較的基準(zhǔn)，濾去干擾。當(dāng)探頭正對(duì)準(zhǔn)電光源時(shí)，E感受到的光強(qiáng)最強(qiáng)。當(dāng)偏離探頭沒有對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源時(shí)，這樣就導(dǎo)致A、B、C、D其中某一個(gè)三極管感受到的光強(qiáng)比E號(hào)強(qiáng)；在水平方向，通過判斷B、D中哪一個(gè)光強(qiáng)比E號(hào)的強(qiáng)來調(diào)整控制水平方向方位步進(jìn)電機(jī)向受光照強(qiáng)度大的那個(gè)光敏三極管旋轉(zhuǎn)來確保E號(hào)始終置中；在豎直方向，通過判斷A、C中哪一個(gè)光強(qiáng)比E號(hào)的強(qiáng)來調(diào)整控制水平方向方位步進(jìn)電機(jī)向受光照強(qiáng)度大的那個(gè)光敏三極管旋轉(zhuǎn)來確保E號(hào)始終置中[2]。

采用型號(hào)為3DU33的光敏三極管作為探頭的感光元件；系統(tǒng)控制器用Cortex-M3；采用了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別放置在水平面上和豎直面上。將空間劃分為一個(gè)三維空間，在水平面上的步進(jìn)電機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)360度，而在豎直方向上的步進(jìn)電機(jī)只需要轉(zhuǎn)動(dòng)180度。同時(shí)，豎直方向上的步進(jìn)電機(jī)是固定在水平面上的步進(jìn)電機(jī)之上的，從而在兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的共同轉(zhuǎn)動(dòng)之下就可以達(dá)到在整個(gè)空間尋找到目標(biāo)光源的作用。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)實(shí)現(xiàn)階段：a系統(tǒng)初始化；b光信號(hào)采集找到點(diǎn)光源的位置；c系統(tǒng)總開關(guān)打開，采集光信號(hào)，探頭跟隨點(diǎn)光源的移動(dòng)而移動(dòng)。

4、系統(tǒng)整機(jī)調(diào)試

所有的電路都已經(jīng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行整機(jī)的調(diào)試。為了便于觀察，該系統(tǒng)在探頭的中間位置固定了一個(gè)激光器，當(dāng)探頭正對(duì)某一物體時(shí)，可以在該物體上顯示一個(gè)小的光點(diǎn)。因此，我們可以比較明顯的觀察探頭是否可以找到點(diǎn)光源。對(duì)系統(tǒng)的整機(jī)調(diào)試分軟件和硬件調(diào)試，軟件調(diào)試主要看程序的運(yùn)行情況，硬件調(diào)試主要看系統(tǒng)追蹤點(diǎn)光源的情況。

4.1軟件調(diào)試

根據(jù)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程，在這里調(diào)試軟件主要設(shè)置了V0—V8九個(gè)表示光感應(yīng)光信號(hào)的變量。其中，V0—V4五個(gè)變量表示探頭上的感應(yīng)光信號(hào)并且V4表示探頭中間的感應(yīng)光信號(hào)，其余的就是表示為了防止外界干擾所感應(yīng)的光信號(hào)。具體調(diào)試過程如下：

a程序編寫完成，build源程序產(chǎn)生可執(zhí)行文件；

b系統(tǒng)上電后系統(tǒng)就開始初始化，包括時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、PWM、光感應(yīng)信號(hào)接口、調(diào)速控制接口等的初始化，觀察相關(guān)寄存器的變化；

c系統(tǒng)初始化后，會(huì)及時(shí)的采集光信號(hào)，在主控芯片的控制下TLC2543芯片開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，觀察相關(guān)變量的變化情況；

d各路探頭采集的光信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在控制芯片內(nèi)不斷循環(huán)進(jìn)行比較各路信號(hào)的大小來分別控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)探頭中間的光敏三極管受到的光強(qiáng)最大并且大于外界光強(qiáng)時(shí)探頭就停止。否則對(duì)于水平面的電機(jī)而言，會(huì)根據(jù)比較V0和V1的大小來決定水平面撒謊能夠電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；對(duì)于豎直方向上的電機(jī)而言，會(huì)根據(jù)V2和V3的大小來決定豎直方向電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，觀察相關(guān)變量和寄存器的變化。

4.2硬件測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)的硬件測(cè)試包括以下幾個(gè)步驟：

a光源放置在任意位置，首先要保證探頭在初始時(shí)并沒有對(duì)準(zhǔn)光源。然后系統(tǒng)初始化，讓系統(tǒng)自動(dòng)尋找點(diǎn)光源。

現(xiàn)象：探頭會(huì)在預(yù)定的軌道轉(zhuǎn)動(dòng)直到找到點(diǎn)光源為止。找到點(diǎn)光源后會(huì)隨著點(diǎn)光源的位置的移動(dòng)而移動(dòng)；

b在探頭對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源后，先慢慢移動(dòng)點(diǎn)光源然后加快點(diǎn)光源移動(dòng)的速度。

現(xiàn)象：在探頭對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源之后，若點(diǎn)光源慢慢移動(dòng)，則探頭可以跟隨點(diǎn)光源的移動(dòng)速度而移動(dòng)；若點(diǎn)光源移動(dòng)的的速度過快，則探頭會(huì)滯后于點(diǎn)光源的移動(dòng)，但是，探頭移動(dòng)的大概方向還是朝著點(diǎn)光源移動(dòng)的方向；

c點(diǎn)光源在以探頭為圓心半徑為1m的圓周上勻速移動(dòng)。

現(xiàn)象：在點(diǎn)光源的移動(dòng)線速度不大于某一定值時(shí)，探頭可以跟隨點(diǎn)光源的移動(dòng)而移動(dòng)；

d點(diǎn)光源在一條直線上移動(dòng)。

現(xiàn)象：當(dāng)點(diǎn)光源和探頭的距離限定在某一值內(nèi)，探頭可以始終轉(zhuǎn)動(dòng)到點(diǎn)光源所在的位置并指向點(diǎn)光源；若點(diǎn)光源離探頭較遠(yuǎn)，則探頭無法準(zhǔn)確的找到點(diǎn)光源的位置，只是大致的指向電光源的位置。

在所有的測(cè)試中，探頭始終都是可以找到點(diǎn)光源的位置的。只是，還是存在兩個(gè)方面的問題：

a激光筆的光電不能正好打在所追蹤的光源的正中心，說明探頭的精準(zhǔn)度不夠；

b點(diǎn)光源與探頭的距離越遠(yuǎn)，探頭找到點(diǎn)光源的位置就越不是很準(zhǔn)確，甚至找到大致方向后不會(huì)停下來對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源，說明探頭中的感應(yīng)器件的感應(yīng)距離有限。

5、結(jié)論

本論文分別從各模塊的論證，各模塊的電路設(shè)計(jì)，各模塊的工作原理以及總體電路設(shè)計(jì)等各方面研究了自動(dòng)光源追蹤器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。并且對(duì)設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果是比較理想的，基本上實(shí)現(xiàn)了所預(yù)想的結(jié)果，可以達(dá)到自動(dòng)追蹤點(diǎn)光源的目的。

本系統(tǒng)的完成，從整個(gè)過程和結(jié)果上來看存在一些優(yōu)點(diǎn)：集成度高，外圍電路簡(jiǎn)潔，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，功耗低；采用了4個(gè)光電轉(zhuǎn)換模塊采集的室內(nèi)信號(hào)作為探頭來判決的參考值，從而避免了室內(nèi)白光的干擾；在探頭的中間位置固定了一個(gè)激光器，可以比較明顯的看到系統(tǒng)所達(dá)到的效果；采用了帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)模塊，可以比較穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于環(huán)境與條件的限制，本系統(tǒng)還存在一些缺陷：精準(zhǔn)度不是很高，激光器的光點(diǎn)不能正好打在所追蹤物體的正中間；靈敏度不是很高，當(dāng)點(diǎn)光源移動(dòng)的速度太快時(shí)，探頭就不能及時(shí)跟蹤，需要一定的反應(yīng)時(shí)間，如點(diǎn)光源離探頭較遠(yuǎn)，探頭不能準(zhǔn)確的感應(yīng)到點(diǎn)光源的位置；不是完全的智能，由于探頭到感應(yīng)信號(hào)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換的模塊時(shí)需要一定的線路，從而該線路就限制了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由，不能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈以上。希望以后可以在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)更加深入的研究，可以克服上面所提到的缺陷，實(shí)現(xiàn)更加完美和全智能的光源自動(dòng)追蹤系統(tǒng)。爭(zhēng)取把本系統(tǒng)沒有達(dá)到的功能要求慢慢實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)除了可以使用在提高光源利用率上，還可以用到以下幾方面：

a需要高效率利用光能的場(chǎng)合，如太陽能汽車，航天等；

b對(duì)光照有苛刻要求的地方，如種子培養(yǎng)，微生物培養(yǎng)等；

c只需更換探頭，可以很方便的作為其他追蹤系統(tǒng)，如紅外等[3]。