点光源控制系统Word格式.docx

点光源控制系统Word格式.docx

《点光源控制系统Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《点光源控制系统Word格式.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

有较好的位置精度和运动重复性，优秀的启停和反转效应，速度正比于脉冲频率，因而有较高的转速范围，缺点是控制不当容易产生共振，难以达到较高的速度。

且步进电机并不像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环脉冲信号，功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

方案三：

直流电机。

直流电机是输入或输出为直流电能的旋转电机。

用它带动激光笔可以减少单片机端口资源的利用：

电机控制方法简单，不需要程序设定旋转方向，有硬件自动实现光源精确定位。

但是直流电机不易受单片机控制，想固定旋转角度比较困难。

2.信号采集模块：

方案一：

采用CCD图像采集传感器。

该传感器在分辨率，动态范围，灵敏度，实时传输和自动扫描等方面都具有优越性，是本系统的只好传感器。

但是算法很复杂，难于在短时间内实现。

采用光电池进行光强采集。

由于光电池短路电流与光强呈线性关系，经I/F变换可输出随光强线性变化的电压信号。

但由于采集距离有两米远，电压变化很小，要经过背景光消减，差模信号放大等一系列信号调理才能送入单片机，而且光电池接收面积大，不容易确定点光源位置。

摄像头。

摄像头高速扫描，通过分析采集到的模拟视频信号，分析视频中心与光源的位差，通过控制电路进而控制舵机支架的转动，实现光源的跟踪定位，使用摄像头作为采光部分能够高精度的测量，但摄像头体积大，成本高，考虑到产品的性价比，放弃该方案。

方案四：

半导体光敏元件。

光电传感器

光敏电阻

光敏二极管

红外接收管

光敏三极管

硅光电池

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

一个大面积PN结

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，二极管导通

光电流与外界光照有关，同一电压下光照越强光电流越大，呈非线性

受到光照时产生的电动势和电流较大

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

检测距离较远

检测距离相对较远，能达到2m甚至更远处

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，只能接收红外光线

易受外界光线干扰

光敏三极管：

光敏三极管对光线的检测比光敏二极管和光敏电阻要高得多，它把光信号转变成电信号的同时，还放大了信号电流。

光敏二极管和光敏电阻都没有对光电流进行放大。

光敏三极管相当于光敏二极管的基础上在增加了一个放大三极管，灵敏度要高于光敏二极管，能够根据光线的强弱控制电流的大小，同时它的稳定性高。

故采用光敏三极管。

3.电机驱动模块：

用分立元件构成驱动电路。

由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。

但是这种电路工作性能不够稳定。

用高耐压，大电流达林顿陈列——ULN2003做驱动电路。

ULN2003是高耐压，大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

由于ULN2003结构简单，价格便宜，具有七路输出电流可达500mA能够驱动步进电机。

但耗费了单片机的I/O，因此不采用此方案。

L297和L298组成的驱动电路。

L297产生四相驱动信号，用以控制双极性两相步进电机或四相单极性步进电机，可以采用半步，两相励磁，单相励磁三种工作方式控制步进电机，并且控制电机的片内PWM斩波电路允许三种工作方式的切换。

使用L297突出的特点是外部只需时钟，方向和工作方式三个输入信号，同时L297自动产生电机励磁相序减轻了微处理器控制及编程的负担。

L297另一个重要组成是PWM斩波器控制相绕组电流，实现恒流斩波控制，一个RS触发器以及外接采样电阻组成内部设有一公共振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号，脉冲频率是外接的RC网络决定的，当时振荡器脉冲使触发器置“1”，电机绕组相电流上升，采样电阻Rs的电压上升到基准电压Vref时，比较器翻转，使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡器脉冲的到来。

这样，触发器输出是恒频的PWM信号，调制L297的输出信号，绕组相电流由Vref决定。

CONTROL信号用以选择斩波信号控制。

当它为低电平（“0”）时，斩波信号作用于两个禁止信号（5.INH1，8.INH2）;

高电平（“1”）时，斩波信号作用于A,B,C,D信号。

前者适合于单极性工作方式，而对于双极性工作方式的电机，这两种控制方式都可以的。

L298芯片是一种高电压，大电流双H桥功率集成电路，可以用来驱动继电器，线圈，直流电机和步进电机等感性负载。

它具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。

每桥的三极管的射级是连在一起的，相应的外接线端可用来连接外设传感电阻。

可安置另一输入电源，使逻辑能在低电平下工作。

利用L297和L2988实现的步进电机驱动电路，该电路为固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动方式，适用于两相双极性步进电机，最高电压46V，每相电流可达2A。

因此采用此方案。

4.LED灯驱动模块：

TLC083。

采用C803的两个运放做成恒流源，一个运放接成电压跟随器接到第二个运放的正输入端，通过电阻阻止的调节可以使得输出电流为I=Vi/R，通过调节Vi和R的值来改变I的大小。

该方案可以避开LED的阻值问题直接控制电流，但是供电电压要12V，且芯片引脚较多复杂，加重了实际焊接的工作，使其优势并不明显。

OP07。

用三个OP07做成恒流源，接法同上面差不多，可是实际测试会出现正负运放管脚电压不相等的情况，这个方案通过检测和推断是电阻或者级联时出现的问题，级联复杂，且没办法实现低功耗的要求。

TPS61062。

采用TPS61062此款芯片可以利用其内部带有的数字和PWM波控制LED灯的亮度，使用起来简单，便于操作。

因此采用方案三。

4.脉宽调制PWM产生电路方案选择

采用如下图1电路，由74HC04反相器和X1（2MHZ）构成晶体振荡电路，74HC190

（1）和74HCl90

（2）将2MHZ进行100分频得到需要的20KHZ的时钟频率。

74HC190

（2）每输出100个时钟脉冲触发一次双稳多谐振荡器74HC74。

复位的办法是用比较器74HC85

（1）和74HC85

（2）进行设定，若达到占空比设定值，则时钟脉冲停止计数，电路复位，74H04输出具有与设定值相等的占空比波形，波形分辨率为1%。

图1高精度PWM波产生电路

方案二：

采用传统的方法通过大量的分立元件来产生PWM波，所产生的脉冲频率和宽度往往不是很准确,很难做到对舵机的精确控制。

MSP430G2553系列单片机拥有业界最低功耗，具有性能稳定、编程灵活、精度较高等特点,且用单片机产生PWM波在实际中得到了广泛的应用。

所以本设计采用MSP430G2553单片机来产生PWM波形。

二．系统总体框图：

三.理论分析及计算：

1.点光源特性特性分析：

根据题目中的要求，可以将点光源的运动分为沿圆周移动和沿其他任意方向移动两种形式。

空间里的任何一点可以用唯一的参量来表示，根据运动轨迹的不同，选择不同的坐标参量，具体如下：

A.沿圆周移动点光源

此类运动趋势的点光源设定为第一类点光源。

对于第一类点光源，我们采取求单一变量：

水平面的变化量。

B.沿其他任意方向移动的点光源

此类运动趋势的点光源设定为第二类点光源。

对于第二类点光源，我们采用先求取水平变化量，再求垂直变化量。

降低了任务的复杂性，目的明确。

2.传感器布局分析与计算

根据第一、第二类电光源的特性及光照亮度来追踪光源的原理，依据简易、精确控制与节约资源的原则，本设计采用四路照度检测通道。

其中，两路检测元件水平排布用于水平定位，布局相对对称，另两路左右检测元件与激光笔平行，用于竖直定位。

点光源的移动可分解为水平和竖直移动。

水平布局的中心传感器应用于精确定位光源的水平位置。

水平方向两边的传感器主要用于检测光源的水平位置或水平移动方向，以便及时通知控制器调整激光笔的水平指向。

四.系统单元电路设计：

步进电机驱动电路：

采用L297和L298组成驱动电路

LED灯驱动电路：

由TPS61062芯片和OPA820组成驱动电路。

五.系统测试与分析：

1.测量工具：

表1.测量工具

测量仪器

型号

直流稳压电源

YB1730A

万用表

VC9801

直尺、三角板

2.测试结果

表2.激光笔距离点光源2m且指向光源时个三极管的采样电压

水平（左）

水平（右）

垂直（上）

垂直（右）

采样电压

1.85V

1.88V

1.93V

1.90V

表3激光笔调离点光源中心后重新指向点光源所需时间及偏离误差

激光笔光点调离点光源中心的距离

指向点光源所需时间

偏离误差

20cm

3.4S

1.2cm

25cm

4.1S

2.2cm

30cm

4.8S

1.7cm

35cm

7.2S

2.3cm

表4将光源支架沿着圆周缓慢旋转一定角度，激光笔重新移向光源所需时间

移动角度

所需时间

10度

8.5s

20度

7.0s

6．总结：

本光源跟踪系统实现了点光源的位置检测和指示。

为降低系统，系统采用低功耗的MSP430G2553单片机，通过单片机程序控制步进电机转动的角度，从而控制传感器跟踪点光源，并通过激光笔来指示方向。

当移动激光笔光点偏离点光源时，传感器能够在5S左右的时间调整方向使光点重新指向点光源；

对于不同的LED亮度，移动光源支架，传感器能缓慢跟踪点光源转动；

转动光源支架使纸板旋转一定角度，传感器也能检测到光照强度的变化并跟踪点光源转动，最终使激光笔光点基本对准点光源。

参考文献

1.宁武唐晓宇闫晓金《全国大学生电子设计竞赛基本技能指导》北京：

电子工业出版社，2009.5

2.张华林周小方《电子设计竞赛实训教程》北京：

北京航空航天大学出版社，2007.7

3.谢兴红林凡强吴雄英《MSP430单片机基础与实践》北京：

北京航空航天大学出版社，2008.1

4.童诗白华成英《模拟电子技术基础》（第四版）北京：

高等教育出版社，2006