崔 鳴，尚 麗

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

基于LM3S811單片機(jī)的LED點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔 鳴，尚 麗

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

以TI公司的超低功耗MCU LM3S811單片機(jī)為核心控制器,設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)LED點(diǎn)光源自動(dòng)跟蹤系統(tǒng).LM3S811計(jì)算出位置誤差后,采用PI控制算法處理,以驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)跟蹤點(diǎn)光源.經(jīng)過實(shí)際場(chǎng)景測(cè)試,當(dāng)點(diǎn)光源支架沿著圓周和直線緩慢平穩(wěn)移動(dòng)限定的角度和距離時(shí)，該系統(tǒng)均能使激光筆在左右和上下移動(dòng)方向上快速、連續(xù)地實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)光源的跟蹤.

LM3S811單片機(jī); LED點(diǎn)光源; 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng); 激光筆

Abstract:LED point source automatic tracking system is designed by using MCU LM3S811 single-chip microcomputer with super low power consumption as the core controller which is produced by TI Company. LM3S811 calculates the position error, which is subsequently handled by PI control algorithm to drive the reduction motor to track the point source. Tests show that the system can make the laser pen move in all directions quickly and continuously to realize the tracking of the point source when the point source moves slowly and smoothly along a circle and straight line in a certain angle and distance.

Key words:LM3S811 single-chip microcomputer; LED point source; automatic tracking system; laser pen

面對(duì)未來能源日趨枯竭，如何簡(jiǎn)單、快速地實(shí)現(xiàn)太陽光的自動(dòng)跟蹤，高效率、全方位地利用太陽能是目前需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題.對(duì)點(diǎn)光源自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，無疑對(duì)太陽光源的自動(dòng)跟蹤實(shí)現(xiàn)具有理論和現(xiàn)實(shí)意義[1-2].本文將白光LED作為點(diǎn)光源，利用LM3S811單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)點(diǎn)光源自動(dòng)跟蹤系統(tǒng).

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)如圖1所示.圖中B是光源，距地面高度約100 cm，采用單只1 W白光LED，電流在150～350 mA范圍內(nèi)調(diào)節(jié).支架可以手動(dòng)方式沿著以A點(diǎn)為圓心、半徑為173 cm的圓周在小于±45°的范圍內(nèi)移動(dòng)，也可以沿直線LM移動(dòng).在光源后3 cm距離內(nèi)，光源中心線垂直平面上設(shè)置一直徑不小于60 cm暗色紙板.

光源跟蹤系統(tǒng)A放置在地面上，通過使用光敏器件檢測(cè)光照強(qiáng)度判斷光源的位置，并以激光筆指示光源的位置.

1.2 實(shí)驗(yàn)方案選擇

1) 光敏器件選擇.常見的有光敏二機(jī)管、光敏三機(jī)管、光敏電阻、紅外接收管等.分別使用不同外殼形狀的光敏二極管和光敏電阻及其串并聯(lián)形式做采光實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)中選用光敏電阻作為感光元件，利用光敏電阻的串并聯(lián)組合作為一組感光管，分別采集左右和上下移動(dòng)方向上的白光LED點(diǎn)光源光照強(qiáng)度.實(shí)驗(yàn)中采用泡沫、遮光紙?jiān)O(shè)計(jì)了幾種光敏電阻布局方案，如圖2所示.通過多次采光情況的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，設(shè)計(jì)中選定圖2(d)中的光敏電阻布局方式.

圖1 光源跟蹤系統(tǒng)示意圖

圖2 光敏電阻布局

2) 直流電機(jī)選擇. 本設(shè)計(jì)選用減速直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī), 首選12 V減速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)激光筆運(yùn)動(dòng)，采用H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)控制方式采用PWM控制.

3) 激光筆電動(dòng)支架. 主要由光敏電阻檢測(cè)裝置、底座、激光筆支架、扇形盤、限位校準(zhǔn)片、兩個(gè)12 V的直流減速電機(jī)構(gòu)成.下面的直流電機(jī)控制激光筆左右移動(dòng)，上面的電機(jī)控制激光筆上下移動(dòng).設(shè)計(jì)的激光筆電動(dòng)支架如圖3所示.

1.3 點(diǎn)光源檢測(cè)方法

采用電橋測(cè)量原理檢測(cè)光照強(qiáng)度.當(dāng)LED燈不亮?xí)r，調(diào)整電橋平衡為平衡狀態(tài)，電橋輸出電壓則表示環(huán)境光照強(qiáng)度值，把該值作為一個(gè)比較電壓;當(dāng)LED燈點(diǎn)亮?xí)r，根據(jù)橋臂上感光管的感應(yīng)電壓變化情況，電橋輸出電壓變化可以擴(kuò)大到2倍，光照強(qiáng)度值被放大，能夠較明顯地判斷出光源變化方向，從而確定激光筆移動(dòng)方向.基于電橋測(cè)量原理的光照強(qiáng)度測(cè)量方案如圖4所示.

圖4中，R1、R3表示感光管阻值，R2、R4為可調(diào)電阻.這4個(gè)電阻依次接在A、B、C、D之間，構(gòu)成電橋的四橋臂.電橋的對(duì)角AC接入電源，其上電壓用E表示;對(duì)角BD為電橋的輸出端，其輸出電壓用UDB表示，它與橋臂電阻有如下關(guān)系

圖3 激光筆電動(dòng)支架

圖4 光照強(qiáng)度測(cè)量放大電路

當(dāng)電阻R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋平衡.當(dāng)各個(gè)電阻發(fā)生變化時(shí)(設(shè)變化量分別是ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4)，輸出電壓UDB的相應(yīng)變化為

通過調(diào)整橋臂阻值，可以直接影響電橋輸出電壓的大小，然后通過電壓跟隨和電壓放大電路送入LM3S811進(jìn)行處理，能夠快速有效地檢測(cè)到光源變化方向.

根據(jù)上述基于電橋的光照強(qiáng)度測(cè)量電路設(shè)計(jì)點(diǎn)光源檢測(cè)方案.當(dāng)LED燈亮?xí)r，測(cè)得的感應(yīng)電壓與比較電壓相比，并經(jīng)過電壓跟隨和放大，所得到的電壓值送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理，然后輸出信號(hào)到直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)端，H橋輸出隨感應(yīng)電壓的高低變化來控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使得激光筆能夠連續(xù)跟蹤點(diǎn)光源，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)光源檢測(cè).如圖5所示.

圖5 點(diǎn)光源檢測(cè)示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)硬件模塊主要包括:以LM3S811單片機(jī)為核心的主控制模塊、點(diǎn)光源檢測(cè)模塊、光照強(qiáng)度測(cè)量放大電路、直流電機(jī)PWM控制模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路模塊、LCD顯示和電源管理模塊等[3-4]，其系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)原理框圖(左右和上下移動(dòng)硬件實(shí)現(xiàn)原理相同)，如圖6所示.

2.2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用的直流電源分別為5 V和12 V，直接使用AC-DC轉(zhuǎn)換模塊提供給各個(gè)單元電路使用.主要的單元電路包括LM3S811最小系統(tǒng)電路、按鍵電路、存儲(chǔ)器電路、LCD顯示接口電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、光照強(qiáng)度測(cè)量放大電路、LED恒流源驅(qū)動(dòng)電路、激光筆開關(guān)控制電路、串口通信電路等.限于篇幅，文中主要給出LM3S811最小系統(tǒng)電路(見圖7)、光照強(qiáng)度測(cè)量放大電路(見圖8)和LED恒流源驅(qū)動(dòng)電路(見圖9).

LM3S811最小系統(tǒng)電路主要利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)工作模式選擇、光信號(hào)的ADC轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制等.

設(shè)計(jì)的光照強(qiáng)度測(cè)量電路中，采用光敏電阻和可調(diào)電阻組成電橋，采用OPA2365 TI 芯片分別組成電壓跟隨器和電壓放大器.在1、2端和3、4端分別接入感光管，作為電橋的一對(duì)邊橋臂，R1、R3和R2、R5作為另一對(duì)邊橋臂.初始調(diào)節(jié)電橋?yàn)槠胶鉅顟B(tài).當(dāng)感光管感應(yīng)電壓變化時(shí)，電橋輸出電壓變化.該電路在光線較弱的情況下，也可以較好地檢測(cè)到光線變化方向.

采用TL431并聯(lián)型三端穩(wěn)壓基準(zhǔn)和LM358芯片組成白光1 W LED恒流源驅(qū)動(dòng)電路，該電路可使LED的電流在150～350 mA內(nèi)調(diào)節(jié).DS1為過流故障指示燈，DS2為1 W LED燈.

圖6 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

圖7 LM3S811最小系統(tǒng)電路

圖8 基于電橋原理的光照強(qiáng)度測(cè)量放大電路

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，分為主程序和子程序兩大部分.子程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)數(shù)、PWM電機(jī)控制定位調(diào)整等.圖10為主程序和重要的子程序流程圖.

3 測(cè)試結(jié)果

主要測(cè)試過程為:

1) 考慮外界光線影響，調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)工作是否正常.控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至標(biāo)記的中心、左右和上下的電子限位和機(jī)械限位位置，觀測(cè)激光筆移動(dòng)范圍是否正確，調(diào)整控制程序.

2) LED滅，檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度.檢測(cè)激光筆在中心點(diǎn)、左右、上下邊界處時(shí)，上下眼和左右眼的光照強(qiáng)度偏差，并檢測(cè)激光筆從中心點(diǎn)向左右和上下移動(dòng)時(shí)，光照強(qiáng)度的變化并存儲(chǔ)數(shù)據(jù).

圖9 LED恒流源驅(qū)動(dòng)電路

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖

3) 設(shè)定不同的LED輸出電流值，考慮測(cè)試環(huán)境，例如測(cè)試時(shí)間段(白天、晚上)、窗簾開閉、室內(nèi)照明燈開關(guān)、室內(nèi)門開閉等，測(cè)試系統(tǒng)跟蹤點(diǎn)光源變化情況，調(diào)整控制程序.

4) 選定測(cè)試環(huán)境，設(shè)定LED電流值為300 mA，調(diào)整題目中要求的初始狀態(tài)(光源中心線與支架間的夾角約為60°)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置參數(shù)，觀察點(diǎn)光源跟蹤情況.

5) 將激光筆光點(diǎn)調(diào)偏離點(diǎn)光源中心30 cm時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)光源跟蹤情況.

6) 調(diào)整激光筆對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源，使光源支架沿著圓周緩慢平穩(wěn)移動(dòng)60°(約60 cm)，觀測(cè)點(diǎn)光源跟蹤情況;然后使得支架沿著直線緩慢平穩(wěn)移動(dòng)60 cm，觀測(cè)點(diǎn)光源跟蹤情況.

7) 使激光筆對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源，將光源支架旋轉(zhuǎn)角度 ，觀測(cè)點(diǎn)光源跟蹤情況.

8) 改變LED輸出電流值，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置參數(shù)，觀察點(diǎn)光源跟蹤情況.

LM3S811的ADC轉(zhuǎn)換信號(hào)記為ADC0～ADC4.其中ADC0和ADC1采集的光信號(hào)認(rèn)為是左方觀測(cè)到光照強(qiáng)度;ADC2和ADC3采集的光信號(hào)認(rèn)為是右方觀測(cè)到光照強(qiáng)度;ADC0和ADC3采集的光信號(hào)認(rèn)為是上方觀測(cè)到光照強(qiáng)度;ADC1和ADC2采集的光信號(hào)認(rèn)為是下方觀測(cè)到的光照強(qiáng)度.

根據(jù)上述測(cè)試方法，在正常光照射和窗簾打開的情況下，觀測(cè)到的點(diǎn)光源跟蹤情況見表1和表2.

表1 沿著圓周及直線平穩(wěn)緩慢移動(dòng)約60 cm觀測(cè)到的點(diǎn)光源跟蹤結(jié)果

表2 光源支架旋轉(zhuǎn)角度觀察到的點(diǎn)光源跟蹤結(jié)果

4 結(jié) 論

以1 W的白光LED作為點(diǎn)光源，利用LM3S811單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了白光LED點(diǎn)光源的快速自適應(yīng)跟蹤.該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而且在跟蹤過程中能自動(dòng)記憶和更正點(diǎn)光源坐標(biāo)位置，不必人工干預(yù)，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值.

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(責(zé)任編輯: 李 華)

Design of LED Point Source Tracking System Based on LM3S811 Single-chip Microcomputer

CHUI Ming, SHNG Li
(Department of Electronic Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)

TP29

A

1008-5475(2011)01-0016-06

2010-10-25;

2010-12-12

江蘇省青藍(lán)工程資助項(xiàng)目; 蘇州市職業(yè)大學(xué)教改課題資助項(xiàng)目(SZDG4-09024)

崔 鳴(1972-),男,江蘇常州人,工程師,主要從事數(shù)字通信信號(hào)處理研究; 尚 麗(1972-),女,安徽碭山人,副教授,高級(jí)工程師,博士,主要從事人工智能和數(shù)字圖像處理研究.