點光源跟蹤系統（b題）
方案設計報告
摘要：本方案使用ti公司生產的msp430f247為主控晶元，以tps61062為核心設計了白光led驅動電路，應用opa2335作放大器製作了光源檢測電路。本系統利用以雷射筆為中心水平和垂直方向上對稱分布的四個光敏三極體為探測端接收光源訊號，再利用自適應環境演算法、電機分段調速等多種演算法實現雷射束對白光光源的實時跟蹤。
本系統成功完成了基礎部分和發揮部分的要求，最終定位誤差可控制在1.5cm以內。
關鍵字: 減速步進電機控制 led電流控制自適應演算法
一、 系統方案的選擇
1. 系統測光部件的選擇
方案一：以四個光敏電阻為探測端分別對稱分布於雷射筆水平和垂直方向上，中心處即雷射束發光點。利用光敏電阻在不同光強下電阻值的變化與乙個定值電阻串聯來輸出不同分壓值進行判斷，當光敏電阻正對光源時電壓最大，偏離時電壓值線性下降。
方案二：使用四個光敏三極體為測光部件採用方案一的布局方式和工作方式製作探測端，但因三極體有β倍的電流放大作用且光源偏離三極體正對方向時電壓值下降的波形斜率更大，所以微小位移的幅值變化更明顯。
考慮到二者光敏特性曲線的斜率和幅值變化範圍等方面因素，故最終選擇方案二。
2. 光源跟蹤系統轉動的控制方案選擇
方案一：光源跟蹤系統由雙舵機構成「雲台」式結構，機械結構簡單、穩定，且舵機在兩個方向上都可以做到180°自由的轉動，轉動速度通過pwm波的占空比控制，但舵機本身控制轉角的精度可能使連續小角度定位時產生抖動。
方案二：水平方向利用帶減速箱的步進電機控制，垂直方向上利用舵機控制轉動。由於減速箱的使用相當於使步進電機的步長角度變得非常小，使在2公尺外的光源附近的雷射束移動時很平滑，可以做到精確步長控制的連續定位，但缺點是減速箱和電機的完全嚙合有一定難度，需要較高的機械加工精度。
綜上所述，方案一控制方法最為簡易，但控制穩定性可能不足；方案二控制精確度高。由於本次題目應優先考慮穩定性和準確性，故最終選擇方案二。
3. 電機驅動方式的選擇
方案一：l297+l298驅動電路。l297晶元能產生四相驅動訊號，用以控制雙極性兩相電機或四相單極性步進電機。
l298為h橋驅動器，主要進行功率放大。不足之處是l298晶元發熱量大，若不注意散熱及電路保護極容易燒毀，故不太穩定。
方案二：以l6208為驅動晶元。l6208是乙個為驅動兩相（兩極）步進電機專門優化的晶元，平均輸出電流可以達到2.
8a，峰值5.6a，輸入脈衝頻率可達到100khz,因此可滿足各種轉速要求嚴格的場合。
綜上，方案二驅動功率大,穩定性好,實現方便,安全可靠。相比方案一有更大優勢，故而選擇該方案。
4. 系統總體方案
經以上各部分方案論證比較後，本組決定以光敏三極體為光源資訊接收器件製作接收端電路接收led光源訊號，輸入到主控晶元msp430中進行比較處理，從而直接輸出pwm波控制舵機豎直轉動，以及利用l6208為驅動晶元的驅動模組控制步進電機進行相應的水平轉動實現雷射筆光束的跟蹤定位。電源使用12v開關電源供給。
二、 理論分析與計算
1.光敏三極體的輸出控制
光敏三極體為電流輸出型器件，且其輸出電流受光照強度控制。恆壓下，當光照強度一定時，其輸出電流也是恆定的，此時，光敏三極體等效為乙個電阻。經試驗發現，使大功率led的電流為300ma，將光敏三極體置於距光源兩公尺處，正對光源，用萬用表測得其阻值為28.
9kω，為使光敏三極體有較大的響應範圍，取電阻r1=28.9kω。為濾除100hz的日光燈干擾，同時保證三極體的響應速度，取電容c1=4.
7uf，此時，截止頻率為
f0===2.34hz
此頻率下，用示波器觀察發現，濾波效果較好，響應速度也可以滿足要求。
光訊號轉化為電壓訊號後，如附錄1中所示經運算放大器放大3倍後輸出，增益計算公式如下：
g=1+=1+=3
2.白光led電流值的計算
該系統中，tps61062的引腳iled接輸入電壓vin，此時，vfb=250mv，而電阻r1=0.7ω，故流經led的電流為iled===357ma，滿足該系統流入led的最大電流為350ma的要求。
3.控制演算法分析
3.1電機定位控制誤差分析
由於步進電機的移動與停止是由微控制器pwm波控制，而微控制器處理光源訊號是通過取樣後計算進行的，所以當雷射束定位到光源點時將訊號輸入微控制器處理後輸出給電機停止命令是需要時間的，這段時間內電機仍處於上乙個工作狀態（即以之前設定的速度轉動），故而電機停止後會出現一段定位誤差s， s的大小取決於微控制器取樣頻率大小，所以要使定位精度上公升，需要考慮取樣頻率的設定。當微控制器取樣頻率f取值為5khz，程式設定的取樣次數n為50次時，實際取樣頻率為100hz，而設步進電機的步進速率為m步/s，本組使用的步進電機全步步長為1.8°，再由幾何關係可計算得投影在led燈後的圓盤上的線速度v。
設電機距離光源所在圓盤距離為l，v滿足： v
本組設定的速率為100步/s，所以代入方程可得：紅光光點的移動速度為0.011m/s，再除以實際取樣頻率即可得定位誤差s約為2.
7mm。可見該誤差並不算大，若要減小該誤差可以適當降低取樣頻率。本組在程式控制中加入了2.
7mm的補償值，抵消了該誤差。
3.2離散型pi控制的設計
為使雷射筆正對光源，利用左右兩端光敏三極體a、b的幅值之差x(t)=v（a）-v(b)逐次逼近並達到校準時的給定值x,當程式判定x（t）=x時即說明雷射束已對準led光源。，為了提高取樣值的準確性，程式設定為每取樣50次進行一次求平均值處理，將其輸出作為乙個有效取樣值x（t），再使用pi演算法將校準值與實際值的偏差量作為輸入量，通過不斷修正偏差量的值使輸出值快速地逼近校準值。pi演算法的一般公式如下：
y(t)=(t)dt]+
式中比例k值設為1，y(t)為處理後輸出量；x(t)為偏差值輸入量；t為積分時間常數；為pi調節前的輸出量。通過積分防止了干擾訊號造成的突變量的影響，但由於x（t）的每次取值都有乙個取樣時間間隔使該函式較離散，所以將上式修改為：
y(t)=(t)dt]+
其中s= t（輸入比較總量）-n（代表跳變較大的突變量）
如此即可做到過濾突變量影響的作用，該控制方法可稱為離散型pi控制。
三、 硬體電路設計
1.光照檢測模組
光照檢測是該系統的關鍵模組，其檢測值的精度、速度、穩定性直接關係到跟蹤質量。經分析論證，選擇光敏三極體檢測光照，將亮度轉化為電壓訊號，並經運算放大器放大後輸出給微控制器，進行ad取樣後再計算處理。運算放大器用了兩片ti公司的晶元opa2335，該晶元效能卓越：
最大失調電壓僅5uv，零溫漂，頻寬僅為2mhz，非常適合該電路。
當光源支移動時，雷射筆需改變水平位置和豎直位置，故在雷射筆的豎直和水平方向等距處布置兩個感測器。這樣布局，可使水平控制欲豎直控制分離，且兩對感測器完全解耦，演算法上只需比較感測器的輸入值即可進行精確定位。同時，為減小外界雜光干擾，用kt板對感測器進行遮光處理。
該模組電路設計見附錄1。
2.白光led控制模組
該模組以tps61062為核心，驅動1w的白光led。由於通常情況下，tps61062的輸出電流僅為0-20ma，遠無法達到該系統要求的300ma的正常工作電流，故在tps61062的輸出端接乙個三極體進行擴流，以實現系統功能。
其原理圖見附錄2。
3.步進電機驅動模組
步進電機驅動電路見附錄3：l6208為mcu共提供了6個引腳實現對步進電機的時鐘、方向、步進、使能、速率等引數的控制，微控制器輸入訊號經l6208處理後從5、15、22、32埠輸出脈衝訊號對應步進電機的a、、b、兩個相位的引腳從而控制電機轉動。
4.其他基礎模組
其他應用到的基礎模組包括電源dc-dc模組、舵機保護電路、聲光報警電路。dc-dc模組將12v開關電源電壓值轉換輸出從而為系統提供了5v電源；舵機保護電路採用光耦隔離的方法，用tlp521將微控制器和舵機隔離開，從而保護了微控制器；聲光報警電路由乙個led和蜂鳴器組成，由微控制器i/o口直接控制。其電路圖可檢視附錄。
四、 軟體程式設計
1.控制流程圖
2.控制演算法
2．1總控制演算法
因採用逐次逼近的方法時發現系統比較容易進入死區，穩定性較差，故採用同時判斷a、b和c、d校準後的電壓差，並判斷電機和舵機的運動狀態的方法。這樣能有效地避免系統進入「死區」，並能加快光源的定位速度。
2．2自適應環境演算法
由於環境的不同和同種器件效能和引數的不同，光電檢測模組的對稱性受到影響，所以不能簡單地用取樣電壓相同作為系統停止運動的條件，而應根據環境的不同，選擇不同的校正係數。本系統先通過按鍵調零，採用多次取樣求平均的方法求得此處a、b、c、d四點的電壓值，再分別用kx和ky兩個校正係數，校正a和b、c和d的誤差，並反饋到控制系統中，可以在不改變電路引數的情況下適應不同的環境。
2．3電機分段調速演算法
程式對步進電機採用分段控制的方法，首先微控制器計算左右兩個光敏三極體輸入的幅值訊號va和vb，若二者差值大於變數dv1,則控制電機全速執行，若差值在dv1與dv2之間，則控制電機半速執行，直至差值小於dv2時電機停止。如此即可使電機移動速度上公升且不影響控制精度。
五、 測試方案與測試結果
1.測試環境及儀器
測試環境：正上方有日光燈照射的房間內，四面無陽光射入的干擾，整體亮度較暗的環境。
測試儀器：數字萬用表乙個、數字示波器一台、1.1公尺高的支架乙個，在高度一公尺處貼有直徑70cm的黑色圓板一塊，捲尺一把。
2.測試步驟方案
按照題意分別對以下六項指標進行測量：
（1） 通過矩陣按鍵現場設定引數的方法使雷射筆盡快指向點光源，記錄相應操作時間。
（2） 將雷射筆光點調偏離點光源中心35cm時，雷射筆能夠盡快指向點光源，測量並記錄指向光源所需時間及偏差量。
（3） 在雷射筆基本對準光源時，以a為圓心，將光源支架沿著圓周緩慢（10~15秒內）平穩移動20（約60cm），雷射筆能夠連續跟蹤指向led點光源；測量完成操作時間及跟蹤精度。
（4） 在雷射筆基本對準光源時，將光源支架沿著直線lm平穩緩慢（15秒內）移動60cm，雷射筆能夠連續跟蹤指向光源，記錄操作時間及跟蹤精度。
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