基于LM3S811单片机的LED点光源跟踪系统的设计

2011-10-13崔鸣，尚丽

苏州市职业大学学报 2011年1期

关键词：点光源光敏电阻电桥

崔鸣，尚丽

(苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州 215104)

基于LM3S811单片机的LED点光源跟踪系统的设计

崔鸣，尚丽

(苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州 215104)

以TI公司的超低功耗MCU LM3S811单片机为核心控制器,设计并制作了一个LED点光源自动跟踪系统.LM3S811计算出位置误差后,采用PI控制算法处理,以驱动减速电机跟踪点光源.经过实际场景测试,当点光源支架沿着圆周和直线缓慢平稳移动限定的角度和距离时，该系统均能使激光笔在左右和上下移动方向上快速、连续地实现LED点光源的跟踪.

LM3S811单片机; LED点光源; 自动跟踪系统; 激光笔

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

面对未来能源日趋枯竭，如何简单、快速地实现太阳光的自动跟踪，高效率、全方位地利用太阳能是目前需要解决的一个关键问题.对点光源自动跟踪系统进行设计和实验的结果，无疑对太阳光源的自动跟踪实现具有理论和现实意义[1-2].本文将白光LED作为点光源，利用LM3S811单片机作为核心控制器，设计并实现了一个点光源自动跟踪系统.

1 系统设计方案

1.1 点光源跟踪系统设计

设计的点光源跟踪系统如图1所示.图中B是光源，距地面高度约100 cm，采用单只1 W白光LED，电流在150～350 mA范围内调节.支架可以手动方式沿着以A点为圆心、半径为173 cm的圆周在小于±45°的范围内移动，也可以沿直线LM移动.在光源后3 cm距离内，光源中心线垂直平面上设置一直径不小于60 cm暗色纸板.

光源跟踪系统A放置在地面上，通过使用光敏器件检测光照强度判断光源的位置，并以激光笔指示光源的位置.

1.2 实验方案选择

1) 光敏器件选择.常见的有光敏二机管、光敏三机管、光敏电阻、红外接收管等.分别使用不同外壳形状的光敏二极管和光敏电阻及其串并联形式做采光实验，本系统中选用光敏电阻作为感光元件，利用光敏电阻的串并联组合作为一组感光管，分别采集左右和上下移动方向上的白光LED点光源光照强度.实验中采用泡沫、遮光纸设计了几种光敏电阻布局方案，如图2所示.通过多次采光情况的实验对比结果，设计中选定图2(d)中的光敏电阻布局方式.

图1 光源跟踪系统示意图

图2 光敏电阻布局

2) 直流电机选择. 本设计选用减速直流电机作为驱动电机, 首选12 V减速直流电机驱动激光笔运动，采用H桥电路驱动电机，电机控制方式采用PWM控制.

3) 激光笔电动支架. 主要由光敏电阻检测装置、底座、激光笔支架、扇形盘、限位校准片、两个12 V的直流减速电机构成.下面的直流电机控制激光笔左右移动，上面的电机控制激光笔上下移动.设计的激光笔电动支架如图3所示.

1.3 点光源检测方法

采用电桥测量原理检测光照强度.当LED灯不亮时，调整电桥平衡为平衡状态，电桥输出电压则表示环境光照强度值，把该值作为一个比较电压;当LED灯点亮时，根据桥臂上感光管的感应电压变化情况，电桥输出电压变化可以扩大到2倍，光照强度值被放大，能够较明显地判断出光源变化方向，从而确定激光笔移动方向.基于电桥测量原理的光照强度测量方案如图4所示.

图4中，R1、R3表示感光管阻值，R2、R4为可调电阻.这4个电阻依次接在A、B、C、D之间，构成电桥的四桥臂.电桥的对角AC接入电源，其上电压用E表示;对角BD为电桥的输出端，其输出电压用UDB表示，它与桥臂电阻有如下关系

图3 激光笔电动支架

图4 光照强度测量放大电路

当电阻R1=R2=R3=R4时，电桥平衡.当各个电阻发生变化时(设变化量分别是ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4)，输出电压UDB的相应变化为

通过调整桥臂阻值，可以直接影响电桥输出电压的大小，然后通过电压跟随和电压放大电路送入LM3S811进行处理，能够快速有效地检测到光源变化方向.

根据上述基于电桥的光照强度测量电路设计点光源检测方案.当LED灯亮时，测得的感应电压与比较电压相比，并经过电压跟随和放大，所得到的电压值送入单片机进行分析处理，然后输出信号到直流电机H桥驱动电路信号端，H桥输出随感应电压的高低变化来控制直流电机正反转，从而达到动态调节，使得激光笔能够连续跟踪点光源，实现点光源检测.如图5所示.

图5 点光源检测示意图

2 系统设计

2.1 硬件设计

设计的点光源跟踪系统硬件模块主要包括:以LM3S811单片机为核心的主控制模块、点光源检测模块、光照强度测量放大电路、直流电机PWM控制模块、LED驱动电路模块、LCD显示和电源管理模块等[3-4]，其系统硬件实现原理框图(左右和上下移动硬件实现原理相同)，如图6所示.

2.2 系统单元电路设计

系统使用的直流电源分别为5 V和12 V，直接使用AC-DC转换模块提供给各个单元电路使用.主要的单元电路包括LM3S811最小系统电路、按键电路、存储器电路、LCD显示接口电路、直流电机驱动电路、光照强度测量放大电路、LED恒流源驱动电路、激光笔开关控制电路、串口通信电路等.限于篇幅，文中主要给出LM3S811最小系统电路(见图7)、光照强度测量放大电路(见图8)和LED恒流源驱动电路(见图9).

LM3S811最小系统电路主要利用单片机实现工作模式选择、光信号的ADC转换、数据存储、显示、直流电机转动方向控制等.

设计的光照强度测量电路中，采用光敏电阻和可调电阻组成电桥，采用OPA2365 TI 芯片分别组成电压跟随器和电压放大器.在1、2端和3、4端分别接入感光管，作为电桥的一对边桥臂，R1、R3和R2、R5作为另一对边桥臂.初始调节电桥为平衡状态.当感光管感应电压变化时，电桥输出电压变化.该电路在光线较弱的情况下，也可以较好地检测到光线变化方向.

采用TL431并联型三端稳压基准和LM358芯片组成白光1 W LED恒流源驱动电路，该电路可使LED的电流在150～350 mA内调节.DS1为过流故障指示灯，DS2为1 W LED灯.