2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛
作品名称 参赛队编号
点光源跟踪系统
517015
2010年8月
2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛
摘要
本系统能够检测并指示点光源位置，主要以MSP430单片机为控制核心，通过光频转换器TSL230实现光强变化到频率的改变，并辅以必要的外围电路，利用步进电机控制激光笔来指示光源位置。系统主要包括点光源发射装置、光强采集模块、信号调理模块、控制模块、显示模块、电源模块等。同时还可以实现点光源电流动态调节、激光笔指向能够水平及其上下移动等功能。
Abstract
This system can detect and point out the location of light source. MSP430 microcontroller is the core of control system, and with the light intensity changing, We can obtain different pulse frequency through TSL230. Then with the help of outer circuit, using the stepping motor control laser pen to indicate the light source. The system includes lighting equipment, the light receiving module, signal disposal module, control module, display module, and power module, etc. In addition, the current of LED can be adjusted dynamically, and the laser pen can move in a horizontal or fluctuation direction
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本设计任务和内容
设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统。光源跟踪系统放置在地面，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。 本设计主要内容如下： 基本要求：
（1）光源跟踪系统中的指向激光笔可以通过现场设置参数的方法尽快指向
点光源；
（2）将激光笔光点调偏离点光源中心30cm时，激光笔能够尽快指向点光
源；
（3）在激光笔基本对准光源时，以A为圆心，将光源支架沿着圆周缓慢
（10~15秒内）平稳移动20º（约60cm），激光笔能够连续跟踪指向LED点光源； 发挥部分：
（1）在激光笔基本对准光源时，将光源支架沿着直线LM平稳缓慢（15
秒内）移动60cm，激光笔能够连续跟踪指向光源。 （2）将光源支架旋转一个角度β（≤20º），激光笔能够迅速指向光源。 （3）光源跟踪系统检测光源具有自适应性，改变点光源的亮度时（LED驱
动电流变化±50mA），能够实现发挥部分（1）的内容； （4）其他。
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1 系统方案
1.1系统结构
根据本竞赛题目的要求，经过分析，所设计系统整体结构如图1所示。 点光源 光检测模块 显示模块 MSP430 步进电机（两路） 图1 系统整体框图 激光指示模块 系统主要包括5个模块：
点光源照射装置：单只1W白光LED，其电流调节范围满足设计要求； 光检测模块：利用光电传感器实现光照强度的检测，从而为MCU提供光源位置信息；
单片机控制模块：为整个系统控制核心，通过分析光检测模块所提供的信号，判断光源所在位置，调节激光笔指向，实现光源跟踪；
电机驱动模块：包括两路步进电机，分别控制激光笔在水平和垂直方向的移动；
数码管显示模块：用于显示光照强度信息以及系统当前状态，为系统调试提供依据。
1.2点光源跟踪实现思路
选用一只TI公司光电传感器（ISL230）作为测光元件，该元件可将光信号转化为方波信号，且光强与方波频率成线性关系，通过测频可以确定在A点任意角度接受的光强，MCU对所测连续两点光强进行比较，确定点光源与激光笔指向的相对位置，实时驱动步进电机控制激光笔向点光源逐步接近。
2理论分析与计算
本系统所需解决的关键问题有以下几点： 1） 测频准确性问题
测频准确性取决于光电传感器的转换精度和MCU对方波频率的测量精确度。TI公司生产的高精度光电传感器TSL230可直接对可见光进行频率转换，
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该器件可提供理想的转换精度；应用MSP430的性能强大的定时计数器功能实现对方波信号的精确测频。 2) 抗干扰问题
由于室内环境存在一定的干扰因素，会影响系统的准确与稳定性，因此本设计在软硬件两方面均采取了相应的措施。在硬件方面，如所有的电路板均封装在金属外壳内、所有器件均采用COMS器件等；在软件方面，如数据均值滤波消除杂乱信号、看门狗等。
3 电路与程序设计
3.1系统硬件设计 （1）点光源装置模块
光源使用单只1W白光LED，固定在一金属支架上。初始状态下光源中心线与支架间的夹角θ约为60º，光源距地面高约100cm。在光源后3 cm距离内、光源中心线垂直平面上设置一直径cm暗色纸板。通过1K精密多圈电阻来动态调整流过LED电流大小。 （2）数码管显示模块
设置8位LED数码管，动态显示。其中，3位用于系统测试；5位用于显示采集的光强对应频率。 （3）MSP430单片机最小系统模块 采用MSP430F149作为控制核心。 （4）电机控制模块
选用5V MP28GA步进电机。相应的电机驱动芯片为ULN2003A，ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
（5）直流稳压电源
本系统设计了5V与3.3V两种电压的直流电源。
3.2 系统软件设计 程序结构流程图：
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开始初始化 比较水平方向所测两次光强在光源附近摆动次N数>阈值？Y水平电机停止 比较垂直方向测两次光强在光源附近摆动N次数>阈值？Y垂直电机停止记录该点光强为MAXN|当前光强-MAX|>阈值？Y
图2 程序结构流程图
4测试方案与测试结果
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4.1 测试方案如下：
1) 将激光笔偏离光源30cm，接通电源启动系统自动搜索并指向点光源； 2) 以感光系统A为圆心，沿圆弧（半径173CM）移动点光源,，缓慢平稳移动20º（约60cm），让激光笔能够连续跟踪指向LED点光源；
3) 在激光笔基本对准光源时，将光源支架沿着直线LM平稳缓慢（15秒内）移动60cm，让激光笔能够连续跟踪指向光源； 4）将光源支架旋转一个角度β（30º），让激光笔能够迅速准确指向光源。
4.2 测试结果如下： 1) 基本要求测量结果：
调整多圈电位器，LED电流为300毫安；经测试：将激光笔偏离光源30cm之后，系统能够自动定位点光源，当沿圆弧缓慢移动点光源，激光笔能够实现实时连续跟踪光源。
2）发挥部分测量结果：
点光源沿直线移动一段距离（80cm），激光笔能够连续跟踪光源；将光源旋转30º，激光笔能够迅速准确指向光源。调整光源电流±50mA之后，也能够对点光源沿直线运动的连续跟踪。
5结束语
我们设计的系统在能够很好的完成题目的基本要求和发挥要求的同时，还能够达到更高的技术指标。
在本次设计的过程中，我们遇到了许多问题和困难，但通过团队的仔细分析和自我调整后我们终于解决了所有问题，取得了的成功。经过本次电子设计大赛我们对MSP430单片机的控制功能有了更深层次的理解，对其调试有了深刻的印象，同时也深刻的体会到了共同协作和团队精神的力量所在。
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