精品文檔-下載后可編輯智能光源追蹤器的設(shè)計【摘要】本文設(shè)計是以達盛公司Cortex-M3超低功耗單片機為控制核心，通過五個光敏電阻模塊來檢測光照，當(dāng)以光敏三極管組成的感光探頭接受光照產(chǎn)生電信號經(jīng)過放大器放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，得到的數(shù)字信號送到主控芯片，在主控芯片經(jīng)過一系列的處理產(chǎn)生控制步進電機轉(zhuǎn)動的相關(guān)信號，將這些信號送到步進電機驅(qū)動模塊，進而驅(qū)動兩電機的左右轉(zhuǎn)，以至于可以找到點光源的位置。但由于技術(shù)受限，最終的靈敏度和精確度不是很高，處于半自動的狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】太陽能；利用率；自動追蹤；Cortex-M3；技術(shù)受限

前言

隨著社會和科技的發(fā)展，資源的需求量不斷加大，光是地球上最豐富的可再生利用的綠色環(huán)保能源，在利用集熱器收集它的熱能或通過太陽能電池板將其轉(zhuǎn)換成電能的工程中，都希望發(fā)揮最大效率。本文采用的是TI公司LM3S811超低功耗單片機為控制核心，利用一些部件來實現(xiàn)對光源的自動追蹤。通過光源跟蹤系統(tǒng)幫助受光平面跟隨光源運動以獲得充足的光達到最大利用率。跟蹤系統(tǒng)主要是一個單片機控制的機械運動機構(gòu)，該系統(tǒng)具有半自動，跟隨精度高，靈敏度高等優(yōu)點[1]。

1、系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計和各功能模塊的選型。

總體設(shè)計是感光模塊將采集到的光信號轉(zhuǎn)換成變化的電信號，所有的電信號發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號，進而將數(shù)字信號傳送到主控芯片LM3S811，在主控芯片里通過比較各路信號的大小來決定驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動，從而達到探頭追蹤光源的目的。其中，電機驅(qū)動模塊可以細分驅(qū)動信號，進而可以使電機轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)。同時，本系統(tǒng)還可以通過按鍵調(diào)速電路來控制電機的轉(zhuǎn)動速度，調(diào)速信號傳輸?shù)街骺匦酒院?，通過改變PWM波的占空比來改變其功率，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。此時此刻，電機的速度級別會在顯示速度模塊顯示。

根據(jù)硬件總體設(shè)計圖來對系統(tǒng)的各主要功能模塊進行選型。本次設(shè)計要求探測距離在100cm處，且能準確快速探測到光源，相比之下光敏三極管具有較寬的檢測范圍，且符合此次系統(tǒng)的要求，所以選擇光敏三極管組成的光電轉(zhuǎn)換模塊來擔(dān)當(dāng)探頭。考慮到本系統(tǒng)使用的模擬信號輸入總共有9路輸入信號，本系統(tǒng)選擇TLC2543芯片。主控芯片選TI公司提供的LM3S811。

為了設(shè)計一個穩(wěn)定精確的系統(tǒng)，使用混合式步進電機及帶有細分功能的驅(qū)動模塊。

2、追蹤點光源方案選擇

取A、B、C、D、E、F、G、H、I九個同一型號的感光模塊，以E為中心，A、C以BD直線對稱表示豎直方向的，B、D以AC直線對稱表示水平面的。在整個系統(tǒng)的周圍安置F、G、H、I，用于采集其他光源的影響。將這些信號作為比較的基準，濾去干擾。當(dāng)探頭正對準電光源時，E感受到的光強最強。當(dāng)偏離探頭沒有對準點光源時，這樣就導(dǎo)致A、B、C、D其中某一個三極管感受到的光強比E號強；在水平方向，通過判斷B、D中哪一個光強比E號的強來調(diào)整控制水平方向方位步進電機向受光照強度大的那個光敏三極管旋轉(zhuǎn)來確保E號始終置中；在豎直方向，通過判斷A、C中哪一個光強比E號的強來調(diào)整控制水平方向方位步進電機向受光照強度大的那個光敏三極管旋轉(zhuǎn)來確保E號始終置中[2]。

采用型號為3DU33的光敏三極管作為探頭的感光元件；系統(tǒng)控制器用Cortex-M3；采用了兩個步進電機，分別放置在水平面上和豎直面上。將空間劃分為一個三維空間，在水平面上的步進電機可以轉(zhuǎn)動360度，而在豎直方向上的步進電機只需要轉(zhuǎn)動180度。同時，豎直方向上的步進電機是固定在水平面上的步進電機之上的，從而在兩個步進電機的共同轉(zhuǎn)動之下就可以達到在整個空間尋找到目標(biāo)光源的作用。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為以下幾個實現(xiàn)階段：a系統(tǒng)初始化；b光信號采集找到點光源的位置；c系統(tǒng)總開關(guān)打開，采集光信號，探頭跟隨點光源的移動而移動。

4、系統(tǒng)整機調(diào)試

所有的電路都已經(jīng)設(shè)計完成后進行整機的調(diào)試。為了便于觀察，該系統(tǒng)在探頭的中間位置固定了一個激光器，當(dāng)探頭正對某一物體時，可以在該物體上顯示一個小的光點。因此，我們可以比較明顯的觀察探頭是否可以找到點光源。對系統(tǒng)的整機調(diào)試分軟件和硬件調(diào)試，軟件調(diào)試主要看程序的運行情況，硬件調(diào)試主要看系統(tǒng)追蹤點光源的情況。

4.1軟件調(diào)試

根據(jù)本系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程，在這里調(diào)試軟件主要設(shè)置了V0—V8九個表示光感應(yīng)光信號的變量。其中，V0—V4五個變量表示探頭上的感應(yīng)光信號并且V4表示探頭中間的感應(yīng)光信號，其余的就是表示為了防止外界干擾所感應(yīng)的光信號。具體調(diào)試過程如下：

a程序編寫完成，build源程序產(chǎn)生可執(zhí)行文件；

b系統(tǒng)上電后系統(tǒng)就開始初始化，包括時鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、PWM、光感應(yīng)信號接口、調(diào)速控制接口等的初始化，觀察相關(guān)寄存器的變化；

c系統(tǒng)初始化后，會及時的采集光信號，在主控芯片的控制下TLC2543芯片開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，觀察相關(guān)變量的變化情況；

d各路探頭采集的光信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在控制芯片內(nèi)不斷循環(huán)進行比較各路信號的大小來分別控制兩電機的轉(zhuǎn)動。當(dāng)探頭中間的光敏三極管受到的光強最大并且大于外界光強時探頭就停止。否則對于水平面的電機而言，會根據(jù)比較V0和V1的大小來決定水平面撒謊能夠電機的正反轉(zhuǎn)；對于豎直方向上的電機而言，會根據(jù)V2和V3的大小來決定豎直方向電機的正反轉(zhuǎn)，觀察相關(guān)變量和寄存器的變化。

4.2硬件測試

對系統(tǒng)的硬件測試包括以下幾個步驟：

a光源放置在任意位置，首先要保證探頭在初始時并沒有對準光源。然后系統(tǒng)初始化，讓系統(tǒng)自動尋找點光源。

現(xiàn)象：探頭會在預(yù)定的軌道轉(zhuǎn)動直到找到點光源為止。找到點光源后會隨著點光源的位置的移動而移動；

b在探頭對準點光源后，先慢慢移動點光源然后加快點光源移動的速度。

現(xiàn)象：在探頭對準點光源之后，若點光源慢慢移動，則探頭可以跟隨點光源的移動速度而移動；若點光源移動的的速度過快，則探頭會滯后于點光源的移動，但是，探頭移動的大概方向還是朝著點光源移動的方向；

c點光源在以探頭為圓心半徑為1m的圓周上勻速移動。

現(xiàn)象：在點光源的移動線速度不大于某一定值時，探頭可以跟隨點光源的移動而移動；

d點光源在一條直線上移動。

現(xiàn)象：當(dāng)點光源和探頭的距離限定在某一值內(nèi)，探頭可以始終轉(zhuǎn)動到點光源所在的位置并指向點光源；若點光源離探頭較遠，則探頭無法準確的找到點光源的位置，只是大致的指向電光源的位置。

在所有的測試中，探頭始終都是可以找到點光源的位置的。只是，還是存在兩個方面的問題：

a激光筆的光電不能正好打在所追蹤的光源的正中心，說明探頭的精準度不夠；

b點光源與探頭的距離越遠，探頭找到點光源的位置就越不是很準確，甚至找到大致方向后不會停下來對準點光源，說明探頭中的感應(yīng)器件的感應(yīng)距離有限。

5、結(jié)論

本論文分別從各模塊的論證，各模塊的電路設(shè)計，各模塊的工作原理以及總體電路設(shè)計等各方面研究了自動光源追蹤器的設(shè)計與實現(xiàn)。并且對設(shè)計的效果進行了驗證，其結(jié)果是比較理想的，基本上實現(xiàn)了所預(yù)想的結(jié)果，可以達到自動追蹤點光源的目的。

本系統(tǒng)的完成，從整個過程和結(jié)果上來看存在一些優(yōu)點：集成度高，電路簡潔，適應(yīng)環(huán)境能力強，功耗低；采用了4個光電轉(zhuǎn)換模塊采集的室內(nèi)信號作為探頭來判決的參考值，從而避免了室內(nèi)白光的干擾；在探頭的中間位置固定了一個激光器，可以比較明顯的看到系統(tǒng)所達到的效果；采用了帶有細分功能的驅(qū)動模塊，可以比較穩(wěn)定的驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動。由于環(huán)境與條件的限制，本系統(tǒng)還存在一些缺陷：精準度不是很高，激光器的光點不能正好打在所追蹤物體的正中間；靈敏度不是很高，當(dāng)點光源移動的速度太快時，探頭就不能及時跟蹤，需要一定的反應(yīng)時間，如點光源離探頭較遠，探頭不能準確的感應(yīng)到點光源的位置；不是完全的智能，由于探頭到感應(yīng)信號傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換的模塊時需要一定的線路，從而該線路就限制了電機的轉(zhuǎn)動自由，不能連續(xù)轉(zhuǎn)動兩圈以上。希望以后可以在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)更加深入的研究，可以克服上面所提到的缺陷