基于MSP430F149的點光源跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

　1 系統(tǒng)方案論證

　　1.1 系統(tǒng)各模塊方案的選擇與論證

　?。?）電機(jī)驅(qū)動模塊。采用L298驅(qū)動芯片組成驅(qū)動電路，可以通過控制中心輸出的高低電平對電動機(jī)的方向進(jìn)行控制，并且可以通過PWM波直接控制電動機(jī)的速度。電路較為簡 ～單，容易實現(xiàn)，驅(qū)動能力和抗干擾能力強(qiáng)，性價比高。

　　（2）LED燈電流調(diào)節(jié)與光源檢測模塊。發(fā)射端通過直流穩(wěn)壓電源來點亮白光LED，通過調(diào)節(jié)白光LED兩端的電壓來調(diào)節(jié)電流從而調(diào)節(jié)亮度，接收端采用多個光敏電阻，通過光敏電阻阻值的變化來判斷光源的位置。

　?。?）LED電流檢測模塊。在LED的下端串聯(lián)一0.1Ω的電阻，電阻的另一端接地，采用OPA335精密放大器對0.1 Ω電阻的壓降進(jìn)行放大，再通過AD采樣處理，從而測量計算出流過LED的電流。

　　1.2 系統(tǒng)組成

　　本系統(tǒng)采用兩片TI公司的MSP430F149單片機(jī)分別作為發(fā)送部分和接受部分的控制核心，完成信號發(fā)送和接收、電流檢測、控制電機(jī)、鍵盤輸入及液晶顯示等功能。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，集成了A／D模塊，無需擴(kuò)展引腳，電路設(shè)計和制作簡單，功耗低。

　　外圍電路模塊包括：電機(jī)驅(qū)動模塊、LED控制模塊、電流檢測模塊、光信號的發(fā)射與接收模塊和液晶顯示模塊。

　　2 理論分析與硬件電路設(shè)計

　　2.1 LED控制和電流檢測電路

　　LED通過調(diào)節(jié)LED兩端的電壓，來改變電流，從而實現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)，可將LED控制電路采用分壓的方式，將LED與一個1OΩ的電阻串聯(lián)來對LED分壓，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)電路電壓來調(diào)節(jié)電流，控制LED的亮度。經(jīng)過計算：

　　即10Ω 電阻的功率最大值將近1.6W。故10Ω 電阻采用3W的功率電阻。

　　電壓調(diào)整采用LM317，其輸出電壓范圍為：

　　即可調(diào)范圍為4.0 V到8.4V，換算成電流為：

　　即電流范圍可達(dá)80～440 mA，可滿足在150-350 mA的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)要求。

　　電流檢測模塊通過測量電路中已知電阻兩端電壓來換算出電流，由于用來測量電壓的電阻阻值要盡量小，故選擇0.1Ω 的功率電阻，并聯(lián)的放大器等效電阻可忽略不記，經(jīng)過計算，0.1 Ω 電阻兩端的壓降在0.008 V～0.042 V之間，電壓值非常小，需要經(jīng)過一級電壓放大電路。由于單片機(jī)的AD采樣內(nèi)部參考電壓最大值為3.3 V，因此放大后電壓值3.3V以內(nèi)。

　　電壓放大采用TI公司的軌到軌運算放大器0PA335，該運放具有良好的電壓放大性能，單電源供電，放大直流信號沒有衰減，連接為同相比例放大。0PA335的輸出接單片機(jī)的模擬信號輸入端P6.0，進(jìn)行AD采樣。電路如圖2所示。

圖2 電流調(diào)節(jié)與檢測電路

　　2.3 電機(jī)驅(qū)動電路

　　由于采用步進(jìn)減速電機(jī)，電流較大。

　　經(jīng)過測量，在7V電壓供電時，電機(jī)的電流為1.4A，在5v供電時，電流為0.9 A，系統(tǒng)采用7.2 V的干電池供電，電機(jī)驅(qū)動芯片需要能夠承受較大的電流。故采用L298作為電機(jī)驅(qū)動，能承受足夠大的電流。

　　2.4 檢測光源電路

　　檢測光源電路的主要原理是通過檢測到光敏電阻的電阻變化，從而引起電壓的變化，單片機(jī)通過識別不同的電壓信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。本設(shè)計還采用套黑管的方法提高精確度。

　　將LM324用做電壓比較器，LM324的反向輸入端通過兩個相等的電阻將電源的電壓分半，作為反向輸入端的輸入電壓，在同向輸入端同樣采用分壓的原理，上端連接光敏電阻，下端接一個100K的滑動變阻器來調(diào)節(jié)光敏電阻的靈敏度。電路如圖3所示。

圖3 檢測光源電路

　　3 控制算法與軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件主要分為3個部分：檢測光源、檢測顯示電流、步進(jìn)電機(jī)控制。算法設(shè)計也圍繞這3個方面展開。

　　3.1 控制算法

　　水平方向用4個光敏電阻來尋找和跟蹤光源，將光敏電阻接入比較器串聯(lián)滑動變阻器，接在LM324輸入端，單片機(jī)通過電平變化來判斷光源的具體位置。

　　在沒有檢測到光時，兩個比較器都輸出低電平，當(dāng)有一個檢測到光時，與此相連的比較器輸出變?yōu)楦唠娖?，?dāng)兩個比較器的輸出都為高電平時，說明此時光源在兩個光敏電阻之間，此時已檢測到光源的中心，控制電機(jī)停止。

　　在光源跟蹤時，通過判斷水平方向兩個比較器的狀態(tài)來實現(xiàn)。當(dāng)左邊的比較器輸出為高電平，右邊輸出低電平時，說明光源左移，控制步進(jìn)電機(jī)左移。同理可控制電機(jī)右移。當(dāng)兩個比較器輸出都為高電平時，說明光源在中心，不用移動。當(dāng)兩個比較器都輸出低電平時，都沒檢測到光源，此時重新掃描。

　　由于要實現(xiàn)激光筆對準(zhǔn)光源時，將光源支架沿著直線LM平穩(wěn)緩慢（15秒內(nèi)）移動60 cm，激光筆能夠連續(xù)跟蹤指向光源，而系統(tǒng)采用的減速步進(jìn)電機(jī)可將一個圓周細(xì)分為4096步，每個脈沖走的距離約為：

　　每個脈沖步進(jìn)3.07 mm，可實現(xiàn)對光源的連續(xù)跟蹤。要實現(xiàn)將光源支架沿著直線LM平穩(wěn)緩慢（15秒內(nèi)）移動60cm，激光筆能夠連續(xù)跟蹤指向光源，當(dāng)沿直線移動時，光源的豎直高度將發(fā)生變化，豎直方向檢測方式類似于水平方向檢測跟蹤，因而可實現(xiàn)整個平面內(nèi)跟蹤。

　　3.2軟件設(shè)計流程圖

圖4 單片機(jī)2流程圖

圖5 單片機(jī)1流程圖