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全国大学生电子设计竞赛2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛-点光源跟踪系统（B题）作者:朱洒(16007520)何东辉(16007524)陈玉伟(16007514)学校:东南大学点光源跟踪系统设计报告指导老师:作者:朱洒何栋辉陈玉伟东南大学电气工程学院摘要本方案采用程控恒流源来驱动LED灯,INA270A测量电流,光敏三极管作为传感器采集光强信号,采用双轴舵机作为驱动执行机构,实现了点光源的全方位三维立体跟踪,选用TI公司的MSP430F4260作为处理器.D/A输出控制LED灯的亮度,两路PWM输出用于驱动两个轴上的电机,分别采用两个光敏三极管作为两个轴方向上的差动输入,有效抑制了环境光的影响,经A/D采集输入,逻辑判断,控制两个舵机动作,确保点光源位于四个光敏三极管正对的中心,实现了快速,准确,全方位跟踪的目标.关键字:恒流LED光敏三极管舵机INA270AbstractTheLEDlightsisdrivenbyprogrammableconstantcurrentsource,measuringcurrentbyIN270A,collectingthelightintensitysignalsbyphototransistor,usingabiaxialservoactuatortorealizethefullrangeofelectricallightthree-dimensionaltracking,choosingTI'sMSP430F4260astheprocessor.D/AoutputcontrolsLEDlightintensity,twomotorsonaxi-xandaxi-zaredrivenbytwoPWMoutputs,eachonewithtwophototransistorsthatwereusedastwodifferentialinputs,inhibitingtheeffectsofenvironmentallighteffectively,viaA/Dacquisitioninput,logictojudge,controltwoservoactiontoensurethatthepointsourceisonthecentreofthefourphototransistors,achievingtrackingoftargetfastly,accuratelyandcomprehensively.Keyword:ConstantCurrentLEDphototransistorsteeringINA270一、系统整体设计:二、方案论证:1.电机模块方案方案一:步进电机驱动.采用带减速器的28BYJ48型步进电机,理论精度可达5.625/64°,且控制简单,响应速度快.但电机驱动能力有限,不易用两个做成双轴形式,只能实现二维平面上的跟踪,当沿直线移动点光源时点光源会脱离光敏三极管组成的斜面,造成跟踪误差.方案二:TowerProMG945金属齿大扭矩舵机驱动.可以在一个舵机的轴上固定另一个舵机实现双轴追踪,且有成品可直接使用.控制采用pwm波脉宽直接调节偏移角度,控制起来也很方便.所以本作品采用方案二.2.点光源接收方案方案一:光电池采集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,电压变化较很小,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.而且关电池接收面积大,不容易确定电光源位置.方案二:光敏三极管差动采集光敏三极管灵敏度远高于光电池,但受外界环境影响飘动比较严重,用两个光敏三极管采集电光源两侧的光强差,可以有效消除外界环境光的干扰.光敏三极管接收面不仅小而且是一个有聚光功能的透镜,更容易确定点光源的位置.因此,选择方案二.3.LED驱动模块方案方案一:采用压控恒流源.通过运放op07,场效应管以及采样电阻组成压控恒流源(详细原理见下文),通过D/A输出精确控制,这样控制方便,唯一的缺点是采用线性电源,当电流较大时稳压管发热比较严重,能源利用效率不高.但通过添加散热片,可以用于一段时间的实验.方案二:采用TPS61062专用LED驱动芯片该芯片采用开关电源模式,效率较高可达80%,但由于采用贴片封装,虽然经过电路板引出,我们测试时,只实现了PWM对其亮度的控制,对于数字控制方式精确控其电流没有能够实现,所以不得不放弃这个方案.因此,最终我们选择了方案一.4.电流测量模块方案一:采用小阻值的精密电阻或者康铜丝,但很遗憾我们手边没有买到器材.方案二:采用9个1Ω普通电阻电阻并联.然后使用INA270转换为电压信号,送入单片机进行A/D转化,经过换算后通过液晶显示出来.采用9个1Ω普通电阻并联不仅可以减小流过每个电阻的电流减小发热的影响,还可以提高电阻精度减小误差.三、各模块原理,实现以及理论分析计算:1.LED驱动及电流检测电路如下:Op07虚短,DAC输入电压相当于直接加到R2上,忽略放大器输入段以及场效应管基极电流,漏极电流为VDAC/R2.其中R2采用7个18Ω电阻并联.要求驱动电流为150mA到350mA可调,VDAC=R2*I,变化范围为0.386V-0.9V.MSP430的DA端口很容易产生这样的参考电压电压,我们采用步进25mA的调节方式.当电流为最大值350mA时,采样电阻上的电压为(0.35/9)v,INA270有着固定的增益为14，最终输出的最大电压为0.544V.MSP430自带的16位SD16_A进行A/D转换,可实现很精确的测量.而实际上0.11欧姆电阻很小,易受焊点导线等影响,实际采样电阻大于0.11欧姆,我们通过测量一组实验值,进行校准最终得到了较理想的测量结果.另外,为保证场效应管工作在线性区,又不至于功率损耗过大.LED驱动电源电压VCC选取为7V.2.光源检测模块电路图如下:VCC取5v，两个10k的滑动变阻器用于校准两个光敏三极管因参数不对称造成的差模输入。将OUT1,OUT2送到单片机A0通道，进行A/D转换。由于SD16_A采用Delta-Sigma结构，全差分输入，就可以通过A/D转换的结果判断光笔追踪位置与实际光源位置的差别，为舵机的控制提供逻辑参考。3．电机模块的驱动及控制TowerProMG945金属齿大扭矩舵机采用5V电源电压供电，工作时控制端输入频率约为50HZ的PWM波。当正脉宽从0.5ms变化到到2.5ms时电机转过约180度（实测比180略大）。电路图如下:控制这两个电机所需的PWM波由定时器TA产生。事先已将系统主时钟MCLK和系统子时钟SMCLK设置为8MHZ。将TA的时钟设置为SMLK/8.计算CCRO的方法如下：N=(1MHZ)/50=20000;将定时器A工作模式设置为模式7,即复位/置位模式时,当CCR1的值从540变化到2420时,舵机输出角度从最小变化到最大,CCR2也是同样的控制方式.通过P1.2,P1.3口输出的PWM波很容易实现两个电机的控制.四、软件设计:1.算法分析(1)追踪核心算法由于本设计通过对称的一对光敏三极管采集的光强差判断光源位置,程序执行时首先采集光强差,A/D采用双极性输入方式,当左右光强相等时,A/D转换的结果为0x8000h.当A/D采样结果大于此值时,改变pwm输出占空比,让舵机增加一个角度;当小于此值时减小一个角度.但考虑到采集的误差,执行过程中,电机会在中心点附近来回抖动.所以在0x8000h附近设置一定死区,即采样结果大于0x8000h+buff或小于0x8000h-buff时电机才动作.当然这是以牺牲响应速度和精度为代价的.将buff设置为在线可调,经反复调试,得到一较理想结果.(2)LED驱动电流调节及电流测量.由于只要改变压控恒流源输入电压,就可以精确控制输出电流,按键改变dacout的输出值即可.电流测量通过A/D转换的结果经过简单计算即可得到测量值.(3)键盘及lcd驱动键盘采用中断加扫描的算法.由于P1口可作为中端口使用.按键时P1的某个端口由高变低产生下降沿中断.扫描确定按键位置,然后用变量key将其保存,留待主程序使用.(电路图见附录)Lcd驱动采用开发板自带头文件,在此不多赘述.2.程序流程图(1)主程序流程图(2)追踪子程序流程图五、系统测试:1.跟踪性能测试(1)将激光笔偏离30cm跟踪测试(2)将光源以A为圆心,移动20°测试(3)直线移动60cm测试(4)支架20°旋转测试(5)改变LED灯亮度测试上述情况实际测量时上述条件的变化对我们的跟踪都没有太大影响.因为我们采用的是两个舵机所以可以在空间内跟踪电光源.因为我们采用差动方式采集光强,LED灯亮度的较小改变对测量影响不大,除非光减弱到传感器采集不到的情况.2.驱动电流及其检测测试给定电流(mA)150175200225250300325350实测电流(mA)156177201223245289312338电阻伏安特性不是一条严格的直线电流变大时测量误差变大,通过更好的曲线拟合,或者用康铜丝等稳定的电阻应该可以更好的提高精度.目前的误差在15mA以内可以接受.六、结论:本方案采用双轴多舵机驱动,可以在三维空间的范围内跟踪光源.差动输入有效抑制了环境光变化带来的影响,对于不同光强,不同角度的点光源都能快速跟踪.选用的MSP430单片机有效地满足了信号采集,逻辑判断,驱动控制的多方面要求.尤其是SD16_A,16位A/D转换器,不仅具有很高的精度,而且可以对输入信号进行放大,且增益可选.这给我们在设计信号调理电路获得了极大地方便,省去了仪放,A/D等分立器件.七、所选TI芯片列表MSP430F4260INA270OP07TLC083,TLCO85