基于MSP430F149的點(diǎn)光源跟蹤系統設計

　1 系統方案論證

　　1.1 系統各模塊方案的選擇與論證

　?。?）電機驅動(dòng)模塊。采用L298驅動(dòng)芯片組成驅動(dòng)電路，可以通過(guò)控制中心輸出的高低電平對電動(dòng)機的方向進(jìn)行控制，并且可以通過(guò)PWM波直接控制電動(dòng)機的速度。電路較為簡(jiǎn) ～單，容易實(shí)現，驅動(dòng)能力和抗干擾能力強，性?xún)r(jià)比高。

　?。?）LED燈電流調節與光源檢測模塊。發(fā)射端通過(guò)直流穩壓電源來(lái)點(diǎn)亮白光LED，通過(guò)調節白光LED兩端的電壓來(lái)調節電流從而調節亮度，接收端采用多個(gè)光敏電阻，通過(guò)光敏電阻阻值的變化來(lái)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(guò)AD采樣處理，從而測量計算出流過(guò)LED的電流。

　　1.2 系統組成

　　本系統采用兩片TI公司的MSP430F149單片機分別作為發(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、鍵盤(pán)輸入及液晶顯示等功能。MSP430F149單片機內部資源豐富，集成了A／D模塊，無(wú)需擴展引腳，電路設計和制作簡(jiǎn)單，功耗低。

　　外圍電路模塊包括：電機驅動(dòng)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計

　　2.1 LED控制和電流檢測電路

　　LED通過(guò)調節LED兩端的電壓，來(lái)改變電流，從而實(shí)現亮度的調節，可將LED控制電路采用分壓的方式，將LED與一個(gè)1OΩ的電阻串聯(lián)來(lái)對LED分壓，通過(guò)調節串聯(lián)電路電壓來(lái)調節電流，控制LED的亮度。經(jīng)過(guò)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。

　　電壓調整采用LM317，其輸出電壓范圍為：

　　即可調范圍為4.0 V到8.4V，換算成電流為：

　　即電流范圍可達80～440 mA，可滿(mǎn)足在150-350 mA的范圍內調節要求。

　　電流檢測模塊通過(guò)測量電路中已知電阻兩端電壓來(lái)?yè)Q算出電流，由于用來(lái)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(guò)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(guò)一級電壓放大電路。由于單片機的AD采樣內部參考電壓最大值為3.3 V，因此放大后電壓值3.3V以?xún)取?/p>

　　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(méi)有衰減，連接為同相比例放大。0PA335的輸出接單片機的模擬信號輸入端P6.0，進(jìn)行AD采樣。電路如圖2所示。

圖2 電流調節與檢測電路

　　2.3 電機驅動(dòng)電路

　　由于采用步進(jìn)減速電機，電流較大。

　　經(jīng)過(guò)測量，在7V電壓供電時(shí)，電機的電流為1.4A，在5v供電時(shí)，電流為0.9 A，系統采用7.2 V的干電池供電，電機驅動(dòng)芯片需要能夠承受較大的電流。故采用L298作為電機驅動(dòng)，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(guò)檢測到光敏電阻的電阻變化，從而引起電壓的變化，單片機通過(guò)識別不同的電壓信號來(lái)控制電機的轉動(dòng)。本設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(guò)兩個(gè)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(gè)100K的滑動(dòng)變阻器來(lái)調節光敏電阻的靈敏度。電路如圖3所示。

圖3 檢測光源電路

　　3 控制算法與軟件設計

　　系統軟件主要分為3個(gè)部分：檢測光源、檢測顯示電流、步進(jìn)電機控制。算法設計也圍繞這3個(gè)方面展開(kāi)。

　　3.1 控制算法

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

　　在沒(méi)有檢測到光時(shí)，兩個(gè)比較器都輸出低電平，當有一個(gè)檢測到光時(shí)，與此相連的比較器輸出變?yōu)楦唠娖?，當兩個(gè)比較器的輸出都為高電平時(shí)，說(shuō)明此時(shí)光源在兩個(gè)光敏電阻之間，此時(shí)已檢測到光源的中心，控制電機停止。

　　在光源跟蹤時(shí)，通過(guò)判斷水平方向兩個(gè)比較器的狀態(tài)來(lái)實(shí)現。當左邊的比較器輸出為高電平，右邊輸出低電平時(shí)，說(shuō)明光源左移，控制步進(jìn)電機左移。同理可控制電機右移。當兩個(gè)比較器輸出都為高電平時(shí)，說(shuō)明光源在中心，不用移動(dòng)。當兩個(gè)比較器都輸出低電平時(shí)，都沒(méi)檢測到光源，此時(shí)重新掃描。

　　由于要實(shí)現激光筆對準光源時(shí)，將光源支架沿著(zhù)直線(xiàn)LM平穩緩慢（15秒內）移動(dòng)60 cm，激光筆能夠連續跟蹤指向光源，而系統采用的減速步進(jìn)電機可將一個(gè)圓周細分為4096步，每個(gè)脈沖走的距離約為：

　　每個(gè)脈沖步進(jìn)3.07 mm，可實(shí)現對光源的連續跟蹤。要實(shí)現將光源支架沿著(zhù)直線(xiàn)LM平穩緩慢（15秒內）移動(dòng)60cm，激光筆能夠連續跟蹤指向光源，當沿直線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，光源的豎直高度將發(fā)生變化，豎直方向檢測方式類(lèi)似于水平方向檢測跟蹤，因而可實(shí)現整個(gè)平面內跟蹤。

　　3.2軟件設計流程圖

圖4 單片機2流程圖

圖5 單片機1流程圖