基于ARM的光源跟蹤系統(tǒng)的設計

崔琪琳，吳曉鳳

（西安石油大學，電子工程學院，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著光機電一體化技術(shù)的發(fā)展，光源自動跟蹤技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，該技術(shù)可應用于太陽自動跟蹤等領域，使太陽能的利用率和吸收率更高。傳統(tǒng)的光源跟蹤技術(shù)多以單片機為控制核心[1]，其處理速度慢，精度低，已不能滿足系統(tǒng)對于跟蹤速度和精度的要求，故本文提出了一種基于ARM的光源自動跟蹤系統(tǒng)，可以提升跟蹤系統(tǒng)的控制精度和響應速度。

1 硬件設計

本設計選用TI的LM3S811作為微控制器[2]。硬件系統(tǒng)由光源發(fā)射部分，檢測部分和控制部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示，驅(qū)動芯片UCC38C43驅(qū)動LED產(chǎn)生的亮度可調(diào)的光源，通過光敏三極管捕獲光源信號，經(jīng)過放大器TLC084進行放大處理，再經(jīng)過比較器OPA084后輸入主控芯片LM3S811,對輸入的信號進行分析處理后經(jīng)過驅(qū)動模塊L297+L298驅(qū)動步進電機帶動機械平臺轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)光源跟蹤。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 光源發(fā)射部分

光源發(fā)射部分采用UCC38C43芯片驅(qū)動，該芯片為低功耗電流模式PWM控制器，最高頻率可達1MHz，可以產(chǎn)生控制開關(guān)電源變壓器的PWM信號，采用交錯技術(shù)可以顯著提高升壓轉(zhuǎn)換效率，利用其輸出電流峰值可達1A和可調(diào)的PWM輸出來驅(qū)動LED燈，實現(xiàn)亮度可調(diào)節(jié)的光源發(fā)射。

1.2 檢測部分

檢測部分是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，決定了系統(tǒng)跟蹤的精確度，電路圖如圖2所示，由5個光敏三極管組成，其靈敏度和穩(wěn)定性好，分別置于可沿固定軸翻轉(zhuǎn)運動的平臺上，形成120°圓弧形切面，激光發(fā)生器與處于正中間的三極管盡可能地緊密固定在一起，且都指向圓弧外側(cè)。通過對光源信號進行采集，由單電源供電運算放大器TLC084對其進行50倍放大，后經(jīng)跟隨器OPA820對其進行跟隨以得到更好的波形，將其輸入到LM3S811控制芯片的ADC引腳，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，比較得出的最大值點即為光源點。

圖2 檢測部分電路圖

LM3S811的A/D模塊的轉(zhuǎn)換分辨率為10位，支持4個輸入通道，含有一個可編程的序列發(fā)生器，它可在無需控制器干涉的情況下對多個模擬輸入源進行采樣，其觸發(fā)控制非常靈活[6]，本設計采用軟件觸發(fā)方式，該觸發(fā)方式實現(xiàn)簡單，易于操作。

1.3 控制部分

由于步進電機沒有累計誤差，適用于開環(huán)控制，本設計選取五線制步進電機，額定電壓24V,電流0.34A，其中間引出一條線可直接接地。由LM3S811控制驅(qū)動芯片L297+L298，此芯片可直接由I/O端口提供模擬時序信號，由其驅(qū)動步進電機實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)，帶動固定有可翻轉(zhuǎn)檢測平臺的水平運動控制平臺，通過兩個電機分別控制這兩個平臺，使得檢測部分能夠進行水平和豎直方向上對電光源檢測。用齒輪，滑輪、紐帶結(jié)合軟件控制平臺的運動速度，最終實現(xiàn)激光在90°范圍內(nèi)對光源的跟蹤，使用L297+L298可以作成兩相雙極性的步進電機驅(qū)動電路，如圖3所示，它采用定電流方式驅(qū)動，每相電流峰值可達2A，L297是步進電機控制器，用來產(chǎn)生兩相雙極性驅(qū)動信號（A、B、C、D）與電機電流設定，L298是用來驅(qū)動步進電機的電力輸出，是雙全橋方式驅(qū)動，由于采用雙極性驅(qū)動，因此電機線圈被完全利用，使步進電機可以達到最佳的驅(qū)動。

由于電機步距角很小，大大提高了控制精確。電路接線和電機控制容易實現(xiàn)，實用性強，符合我們設計的要求。

圖3 電機控制部分電路圖

2 系統(tǒng)軟件設計

軟件是該系統(tǒng)的重要部分，檢測和控制多是軟件實現(xiàn)的，其任務是在總體設計和硬件設計基礎上實現(xiàn)軟件控制功能。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

首先將電機位置初始化，使得運動平臺轉(zhuǎn)動在一側(cè)，開始單向轉(zhuǎn)動帶動光敏三極管掃描，電機60步換向，在未搜索到點光源前一直進行搜索。若搜到點光源，計算角度誤差，若無誤差，電機停止轉(zhuǎn)動，此時激光照射的點即為點光源；若有誤差，計算誤差輸出量控制電機移動，激光跟隨到點光源，電機停轉(zhuǎn)即完成點光源跟蹤。

3 實驗結(jié)果與分析

將點光源固定在半徑為30cm的黑色圓形擋光板上，將板固定在高一米的支架上，使光源中心線和支架呈60°夾角，檢測與跟蹤平臺置于地面，距點光源支架1.73m，初始狀態(tài)下使激光指向點光源，將點光源沿水平和圓周移動，記錄激光跟蹤點光源的間和誤差，調(diào)整電流改變點光源亮度，重復以上過程，結(jié)果如表1所示。

如表1所示，點光源電流為100mA時，當點光源中心水平移動時，激光能夠在短時間內(nèi)跟蹤點光源，由于光敏三極管和激光發(fā)射器在設計時沒有完全重合，存在一定的誤差，故激光不能與點光源完全重合；將其初始化，再以檢測裝置為圓心，將光源支架在10-15s內(nèi)沿著圓周緩慢平穩(wěn)移動20°，激光能夠連續(xù)跟蹤指向LED點光源，距離點光源4.5cm；調(diào)節(jié)點光源的電流為50mA改變亮度，重復以上實驗，同樣可以得到期望的結(jié)果。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)點光源的跟蹤精度和速度都有很大提升，點光源亮度在一定范圍變化后，同樣可以實現(xiàn)跟蹤。

表1 實驗結(jié)果

4 結(jié)論

本系統(tǒng)是基于ARM微處理器LM3S811的控制系統(tǒng)，通過光敏檢測和對電機控制實現(xiàn)了對點光源的跟蹤,硬件搭建和電路實現(xiàn)比較簡單,容易實現(xiàn)，符合實際跟蹤滿意度，性價比高，實用性強，具有廣泛的發(fā)展前景,可應用于如太陽能跟蹤系統(tǒng)等。

[1]張?zhí)扃?，姜寶鈞，鄧興成.基于MCS—51單片機的光源跟蹤[J].科學實驗與技術(shù),2006(12)：39-40.

[2]黃爭.德州儀器高性能單片機和模擬器件在高校中的應用和選型指南[M].上海：德州儀器半導體技術(shù)有限公司大學計劃部，2010:166-167.

[3]BiCMOSLOW-POWER CURRENT-MODE PWM CONTROLLER.pdf[Z].2003.

[4]太陽發(fā)電自動光源跟蹤系統(tǒng)[J].伺服系統(tǒng)，2009(10).

[5]Michael Day.降低亮度再現(xiàn)真實色彩PWM調(diào)光增強LED顯示器色純度[J].電子測試,2006(5):78-80.

[6]吳彩林，潘小波.電力數(shù)據(jù)采集A_D轉(zhuǎn)換器的選擇方案[J].電子測試,2006(6):65-67.

[7]向平，高潔，張晉.基于ARM7的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)硬件設計[J].機械與電子，2009（11）：44-46.

[8]張艷敏，羅海兵.基于ARM芯片的步進電機加減速控制[J].河北工程技術(shù)高等?？茖W校學報，2009(2):47-49.