點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)的研究*

吳曉云 馮 帆

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 商洛 726000）

1 引言

在自動化技術(shù)高速發(fā)展的今天，光推動著人類的社會進(jìn)步。如何快速地實(shí)現(xiàn)對太陽光的自動跟蹤，提高對光的有效利用是科研人員致力研究的方向，光源自動跟蹤技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注［1～2］。因此本文提出一種點(diǎn)光源自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，此系統(tǒng)通過光敏三極管檢測光源信號，并判斷光源的位置，利用微處理器控制機(jī)械平臺轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)光源的精確定位。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由光源發(fā)射部分、光源檢測部分和控制電路三部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)擬選用MSP430芯片作為微控制器，利用驅(qū)動芯片驅(qū)動LED產(chǎn)生一個方波信號，該信號的頻率為1kHz，LED燈所發(fā)出的光亮度在150mA～350mA，通過光敏三極管檢測亮度可調(diào)節(jié)的光源信號，從光敏三極管輸出的光敏信號經(jīng)過放大電路放大后，再經(jīng)過比較器后輸入MSP430芯片，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和分析處理后，微控制器通過驅(qū)動模塊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動機(jī)械平臺轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)光源的精確定位［3～4］。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 光源發(fā)射電路

光源發(fā)射電路為可控的恒流源電路，如圖2所示，電路的主控芯片是電壓可調(diào)的線性輸出穩(wěn)壓芯片。輸出電壓 Vout=1.25·(1+R2/R1)+I*R2(V)，其中1.25是ADJ引腳與VOUT引腳之間的電壓，I為ADJ引腳的輸出電流。流過LED的電流取決于輸出電壓VOUT，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2調(diào)節(jié)輸出電流的大?。?］。

圖2 LED電流調(diào)節(jié)電路

2.3 光源檢測電路

檢測部分采用光敏三極管對點(diǎn)光源信號進(jìn)行檢測，檢測靈敏度決定了光源跟蹤的精確度［6］。系統(tǒng)采用3個光敏三極管，在檢測線處形成“一”字排列，使光敏三極管采集到更多的點(diǎn)光源信號［7］。電路如圖3所示，通過光敏三極管將光源信號轉(zhuǎn)換為電信號，該輸出電信號通過TLC084集成運(yùn)放放大后，電路中OPA820是一個電壓跟蹤器，起到跟蹤電壓的目的，將跟蹤器的輸出信號輸入到MSP430控制芯片的A/D引腳，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和分析處理后，最大值即為光源的位置［8］。

圖3 光源檢測電路

2.4 控制電路

電機(jī)驅(qū)動模塊電路如圖4所示?？刂齐娐酚呻姍C(jī)驅(qū)動芯片L298、光電耦合器TLP521-4和TLP521-2組成。L298驅(qū)動芯片單片機(jī)控制端與L298 之間采用光耦隔離以減少信號干擾［9～10］。L298芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，ENA和ENB為使能端，分別通過引腳IN1、IN2和IN3、IN4控制兩個電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使得檢測部分能夠進(jìn)行水平和豎直方向上對點(diǎn)光源檢測。

圖4 電機(jī)驅(qū)動模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示，上電后首先將電機(jī)位置初始化，然后電機(jī)單向轉(zhuǎn)動并帶動光敏三極管掃描，在沒有掃描到點(diǎn)光源前一直進(jìn)行掃描，電機(jī)以60步進(jìn)行換向［11～12］。若掃描到點(diǎn)光源，則計(jì)算角度差，通過角度差控制電機(jī)轉(zhuǎn)動跟蹤到點(diǎn)光源后，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動。若沒有角度差，激光照射的點(diǎn)即為點(diǎn)光源的位置，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)如表1所示，通過調(diào)節(jié)點(diǎn)光源發(fā)射電路的R2阻值改變輸出電流的大小，系統(tǒng)都可以在較短的時間跟蹤到光源位置。光源的亮度越亮，跟蹤速度越快［13～14］。

表1 測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文選用MSP430芯片作為微控制器，采用LM317設(shè)計(jì)一個亮度可調(diào)節(jié)的點(diǎn)光源，通過光敏三極管檢測光照強(qiáng)度，結(jié)合軟件進(jìn)行相關(guān)算法的運(yùn)算控制，使激光筆快速而準(zhǔn)確探尋光源的位置。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了2m內(nèi)的光源跟蹤及定位。整個系統(tǒng)中光敏三極管的布局和控制算法起到了重要的作用，當(dāng)光源在移動時可對其實(shí)現(xiàn)實(shí)時跟蹤，所采用的算法具有較好的自適應(yīng)性，該系統(tǒng)的研究對實(shí)現(xiàn)太陽能精確跟蹤控制的研究具有一定的參考價值［15］。