1 引言
文中設計的系統是源自于2010年TI杯湖北省電子設計大賽, 要求是設計并制作一個能夠檢測并指示點光源位置的光源跟蹤系統, 系統示意圖如圖1所示。光源B使用單只1W白光LED, 固定在一支架上。LED的電流能夠在150mA ~ 350mA 的范圍內調節。初始狀態下光源中心線與支架間的夾角約為60o, 光源距地面高約100cm, 支架可以用手動方式沿著以A為圓心、半徑r 約173cm 的圓周在不大于 45o的范圍內移動, 也可以沿直線LM 移動。在光源后3cm 距離內、光源中心線垂直平面上設置一直徑不小于60cm 暗色紙板。光源跟蹤系統A放置在地面, 通過使用光敏器件檢測光照強度判斷光源的位置, 并以激光筆指示光源的位置。文中采用MCU MSP430作為控制核心,充分發揮了其功耗超低、精度較高等優勢,其他各部分電路設計時也充分考慮了簡單、可靠、經濟等因素,為實際應用提供了一定的參考價值。
2 系統方案論證
根據設計目標,系統方案論證如下:
2.1 光敏器件選擇
光敏器件有很多種,但哪一種既能滿足要求又能方便檢測控制呢？點光源跟蹤系統任務要求的檢測距離基本為2m,最遠也只達2.05m,光源利用1W白光LED,其發出的光線較強,利用光敏電阻即可滿足要求,另外光敏電阻價格便宜、光敏電壓檢測電路簡單,考慮到設計中肯定需要多組測量,因此光敏電阻是較好的選擇[1]。
2.2 光源跟蹤方案
方案一:直流電機帶動激光筆跟蹤光源
利用兩個直流電機,采用全橋PWM控制,將固定在旋轉電機上不同位置的光敏二極管感應到的電壓信號送入比較器(比較電壓以實際情況測取),通過比較器輸出來控制直流電機正、反轉,從而達到動態調節,直至激光筆直線對準光源中心位置。但該方案有許多不足之處,直流電機不易受單片機控制,旋轉角度無法程序有效控制且精度不高,對于固定角度旋轉比較困難。
方案二:步進電機帶動激光筆,精確控制旋轉角度
給步進電機加一個脈沖信號,電機則轉過一個步距角,這一線性關系的存在,加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點,使得在速度、位置等控制領域采用步進電機控制變的非常的簡單。控制時,可將電路處理后的信號送入單片機,經過單片機邏輯時序控制步進電機準確旋轉一定角度,使得激光筆準確指示點光源;另外還可利用另一電機上安裝的多個光敏電阻進行微調,形成閉環控制,使得點光源定位精確,穩定,可靠。
經試驗比較,可采用第二種方案。
2.3 光敏檢測控制方案
方案一:采用一個光敏電阻,在規定范圍內進行掃描,采集盡可能多的電壓值,比較選擇最大電壓值,激光筆將迅速回到反應最大電壓值的那一點即找到最亮點實現光源的跟蹤。此種方式簡單方便,跟蹤快,但精確度不高。
方案二:在規定范圍內采用八個固定位置的光敏電阻進行檢測,采集每一個光敏電阻電壓值進行比較,找到最大電壓值,計算相應角度,控制電機轉到那一點,實現光源的跟蹤,但此種方式結構復雜,控制精度不太高。
方案三:水平位置采用四個光敏電阻進行水平定位控制,另外在中間位置放置上下兩個光敏電阻進行上下定位控制,定位準確,控制精度較高。
經比較,選擇方案三。
2.4 LED電流調節
方案一:采用PWM控制芯片,利用閉環控制實現電流的自行調節。該方法自動化程度高,但電路比較復雜,實現起來有些費時。
方案二:采用LM317構成典型的電壓可調恒流源電路,可以很簡單的實現LED電流的調節。
經比較,選用方案二。
2.5 控制方案選擇
根據控制對象的特點,比較PID控制、模糊控制和模糊PID控制這三種控制策略發現,常規PID(比例,積分,微分)控制具有簡單、穩定性好、可靠性高的特點,但是,常規的PID控制存在一些問題。首先,常規PID控制器不能在線整定參數;并且,常規PID控制器對于非線性、時變的系統和模型不清楚的系統就不能很好的控制,其PID參數不是整定困難就是根本無法整定,因此不能得到預期的控制效果。簡單模糊控制由于不具有積分環節,因而在模糊控制的系統中又很難消除穩態誤差,而且在變量分級不夠多的情況下,常常在平衡點附近會有小的振蕩現象。但模糊控制器對復雜的和模型不清楚的系統都能進行簡單而有效的控制,所以如果把兩者結合起來,就可以構成兼有著兩者優點的模糊PID(Fuzzy-PID)控制器。所以,針對被控對象的特性我們選擇利用模糊控制方式來給PID 控制器在線自整定(或自校正,自調整)PID參數,組成模糊自整定(或自調整)參數PID控制器的控制策略。
2.6 系統總體方案
基于以上方案的比較選擇,系統總體電路框圖如圖2所示。
整個設計以MSP430為核心,MSP430根據光敏電阻所反應的不同電壓值經相應程序對兩個步進電機進行控制,并由步進電機帶動激光筆進行左右和上下精確定位,從而實現對光源的跟蹤同時還具備對檢測電壓進行實時顯示的功能,而LED電流調節則采用簡單實用的LM317調壓電路實現。
3 硬件電路設計
3.1 步進電機驅動模塊
電路主要由光電耦合器TLP521-4和TLP521-2以及電機驅動芯片L298組成。IN1、IN2控制電機正反轉方向,ENA使能,同理,IN3、IN4和ENB實現對另一電機的控制。單片機控制端與L298之間采用光耦隔離以減少信號干擾。電機驅動模塊電路如圖3。
3.2 光敏電阻電壓檢測模塊
電源電壓經穩壓芯片AMS1117穩壓到3.3v 后提供給光敏電阻分壓電路,其輸出檢測信號供后級電路處理[2]。如圖4所示。
3.3 LED電流控制調節模塊
該電路主要由LM317組成,通過可調電阻來調節LED的電流,使之滿足電流在150~350mA范圍內可調[3]。LED電流檢測電路如圖5。
4 軟件設計
整個系統分左右位置和上下位置兩部分判別是否到達光源中心。左右部分尋找光源通過不斷比較兩者大小來判別方向,當兩者差值在一定范圍內時,就可以認定橫向范圍內到達光源中心[4]。當光源支架走圓弧時,光源中心幾乎不會偏離;只有光源支架走直線時,A點偏角度最大為0.8°,板上激光點上下偏離最大為2.67cm。而步進電機單步運行0.45°,因此只需記錄旋轉的范圍區域就可控制上下激光點微調。
系統軟件設計流程如下圖6。
5 測試數據與結果分析
測試工具選用精度0.1cm的卷尺和 精度0.01s秒表。測試過程將光源固定于指定范圍內的任一點,通過現場設置參數決定兩個步進電機的運行,進行上下左右的定位。不同定位的測試結果如下:
(1) 激光筆偏離點光源30cm跟蹤測試
將激光筆光點偏離光源30cm,我們對系統的跟蹤性能進行了多次反復測試,測試數據如下表1所示:
從測試數據反映,系統跟蹤精度好,跟蹤速度快。
(2) 光源支架圓周移動20°跟蹤測試
在激光筆基本對準光源時,以A為圓心,將光源支架沿著圓周緩慢(10~15秒內)平穩移動20o(約60cm),對系統的跟蹤性能進行了多次反復測試,測試數據如下表2所示:
從測試數據反映,系統跟蹤精度好,在測試過程中,激光筆跟蹤的連續性很好。
(3) 光源支架沿著直線LM平穩緩慢移動跟蹤測試
在激光筆基本對準光源時,將光源支架沿著直線LM平穩緩慢(15秒內)移動60cm,對激光筆跟蹤情況進行反復測試,測試數據如下表3所示:
從測試數據反映,系統跟蹤精度較好,激光筆跟蹤的連續性較好。
(4) 光源支架移動20cm左右距離、再旋轉一個角度(20°)跟蹤測試
將光源支架移動20cm左右距離、再旋轉一個角度(20°)后,對激光筆跟蹤情況進行反復測試,測試數據如下表4所示:
從測試數據反映,系統跟蹤精度比較好,跟蹤速度比較快。
(5) 改變點光源的亮度時(LED驅動電流變化±50mA)系統自適應測試
通過LED電流調節電路調節LED電流在規定范圍內變化,將光源支架沿著直線LM平穩緩慢(15秒內)移動60cm,反復測試系統跟蹤情況,數據如表5所示:
從測試數據反映,系統自適應能力較強,尤其在光線越強時,精度越高。,
6 結束語
通過測試,本論文設計的點光源跟蹤系統完全實現了2m內的光源跟蹤及定位,在跟蹤定位的過程中,光敏電阻的布局和模糊控制算法起到了決定性作用,整個系統功能完善,跟蹤精度較好,自適應能力較強,有一定的實用價值。
參考文獻:
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[3] 劉樹棠等．基于運算放大器和模擬集成電路的設計[M]．西安:西安交通大學出版社,2004．
[4] 張天鐘,姜寶鈞,鄧興成.基于MCS-51單片機的光源跟蹤[J].實驗科學與技術,2006,(1):39-40．
[5] 張日希等.MSP430系列單片機實用C語言程序設計[M].北京:人民郵電出版社,2005．
作者簡介:雷丹(1981-),女,講師,工程碩士,研究方向:電力電子及電力拖動自動控制系統系統。