自動(dòng)調(diào)節(jié)光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光源跟蹤系統(tǒng)?是一種能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)光源方向的系統(tǒng)，主要目的是在不同的環(huán)境下保持照明效果穩(wěn)定，提高照明效率和舒適度。它通常由傳感器、控制器和執(zhí)行器三部分組成。傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)環(huán)境亮度和人體位置，控制器根據(jù)傳感器反饋的信息計(jì)算出最優(yōu)的光源方向指令，執(zhí)行器則根據(jù)指令調(diào)節(jié)光源方向?1。

光源跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景

光源跟蹤系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種需要自動(dòng)調(diào)節(jié)光源方向的場(chǎng)景，包括但不限于：

?光學(xué)實(shí)驗(yàn)?：在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，光源跟蹤系統(tǒng)可以幫助精確地追蹤和定位光束，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

?天文觀測(cè)?：在天文學(xué)中，光源跟蹤系統(tǒng)可以用于追蹤和觀測(cè)天體，幫助科學(xué)家進(jìn)行天文研究。

?自動(dòng)化設(shè)備?：在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，光源跟蹤系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)整照明，提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

光源跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)原理

光源跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)原理主要包括以下幾個(gè)部分：

?傳感器?：通常使用光敏電阻和紅外傳感器。光敏電阻檢測(cè)環(huán)境亮度并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，紅外傳感器檢測(cè)人體位置并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)?1。

?控制器?：控制器采用PID控制算法，通過(guò)比較目標(biāo)值與實(shí)際值之間的誤差來(lái)調(diào)整輸出量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光源方向的控制?1。

?執(zhí)行器?：常用的執(zhí)行器是舵機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。舵機(jī)根據(jù)輸入的PWM信號(hào)調(diào)整自身角度，步進(jìn)電機(jī)則通過(guò)接收控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)?12。

本設(shè)計(jì)以MSP430F149為控制核心，通過(guò)放大器LM324做比較器比較光敏電阻感受光強(qiáng)度，控制減速后的步進(jìn)電機(jī)，調(diào)節(jié)激光筆上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤光源的目的。系統(tǒng)采用LM317調(diào)節(jié)電壓的方式實(shí)現(xiàn)LED電流一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，利用MSP430F149內(nèi)部的ADC采集OPA335放大后的電壓信號(hào)，并計(jì)算出電流值，采用12864液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)測(cè)試，激光筆能準(zhǔn)確地跟蹤光源。

1 系統(tǒng)方案論證

1.1 系統(tǒng)各模塊方案的選擇與論證

(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。采用L298驅(qū)動(dòng)芯片組成驅(qū)動(dòng)電路，可以通過(guò)控制中心輸出的高低電平對(duì)電動(dòng)機(jī)的方向進(jìn)行控制，并且可以通過(guò)PWM波直接控制電動(dòng)機(jī)的速度。電路較為簡(jiǎn) ～單，容易實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。

(2)LED燈電流調(diào)節(jié)與光源檢測(cè)模塊。發(fā)射端通過(guò)直流穩(wěn)壓電源來(lái)點(diǎn)亮白光LED，通過(guò)調(diào)節(jié)白光LED兩端的電壓來(lái)調(diào)節(jié)電流從而調(diào)節(jié)亮度，接收端采用多個(gè)光敏電阻，通過(guò)光敏電阻阻值的變化來(lái)判斷光源的位置。

(3)LED電流檢測(cè)模塊。在LED的下端串聯(lián)一0.1Ω的電阻，電阻的另一端接地，采用OPA335精密放大器對(duì)0.1 Ω電阻的壓降進(jìn)行放大，再通過(guò)AD采樣處理，從而測(cè)量計(jì)算出流過(guò)LED的電流。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用兩片TI公司的MSP430F149單片機(jī)分別作為發(fā)送部分和接受部分的控制核心，完成信號(hào)發(fā)送和接收、電流檢測(cè)、控制電機(jī)、鍵盤輸入及液晶顯示等功能。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，集成了A/D模塊，無(wú)需擴(kuò)展引腳，電路設(shè)計(jì)和制作簡(jiǎn)單，功耗低。

外圍電路模塊包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LED控制模塊、電流檢測(cè)模塊、光信號(hào)的發(fā)射與接收模塊和液晶顯示模塊。

2 理論分析與硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 LED控制和電流檢測(cè)電路

LED通過(guò)調(diào)節(jié)LED兩端的電壓，來(lái)改變電流，從而實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)，可將LED控制電路采用分壓的方式，將LED與一個(gè)1OΩ的電阻串聯(lián)來(lái)對(duì)LED分壓，通過(guò)調(diào)節(jié)串聯(lián)電路電壓來(lái)調(diào)節(jié)電流，控制LED的亮度。經(jīng)過(guò)計(jì)算：

即10Ω 電阻的功率最大值將近1.6W。故10Ω 電阻采用3W的功率電阻。

電壓調(diào)整采用LM317，其輸出電壓范圍為：

即可調(diào)范圍為4.0 V到8.4V，換算成電流為：

即電流范圍可達(dá)80～440 mA，可滿足在150-350 mA的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)要求。

電流檢測(cè)模塊通過(guò)測(cè)量電路中已知電阻兩端電壓來(lái)?yè)Q算出電流，由于用來(lái)測(cè)量電壓的電阻阻值要盡量小，故選擇0.1Ω 的功率電阻，并聯(lián)的放大器等效電阻可忽略不記，經(jīng)過(guò)計(jì)算，0.1 Ω 電阻兩端的壓降在0.008 V～0.042 V之間，電壓值非常小，需要經(jīng)過(guò)一級(jí)電壓放大電路。由于單片機(jī)的AD采樣內(nèi)部參考電壓最大值為3.3 V，因此放大后電壓值3.3V以內(nèi)。

電壓放大采用TI公司的軌到軌運(yùn)算放大器0PA335，該運(yùn)放具有良好的電壓放大性能，單電源供電，放大直流信號(hào)沒(méi)有衰減，連接為同相比例放大。0PA335的輸出接單片機(jī)的模擬信號(hào)輸入端P6.0，進(jìn)行AD采樣。電路如圖2所示。

圖2 電流調(diào)節(jié)與檢測(cè)電路

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于采用步進(jìn)減速電機(jī)，電流較大。

經(jīng)過(guò)測(cè)量，在7V電壓供電時(shí)，電機(jī)的電流為1.4A，在5v供電時(shí)，電流為0.9 A，系統(tǒng)采用7.2 V的干電池供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片需要能夠承受較大的電流。故采用L298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能承受足夠大的電流。

2.4 檢測(cè)光源電路

檢測(cè)光源電路的主要原理是通過(guò)檢測(cè)到光敏電阻的電阻變化，從而引起電壓的變化，單片機(jī)通過(guò)識(shí)別不同的電壓信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)還采用套黑管的方法提高精確度。

將LM324用做電壓比較器，LM324的反向輸入端通過(guò)兩個(gè)相等的電阻將電源的電壓分半，作為反向輸入端的輸入電壓，在同向輸入端同樣采用分壓的原理，上端連接光敏電阻，下端接一個(gè)100K的滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)光敏電阻的靈敏度。電路如圖3所示。

圖3 檢測(cè)光源電路

3 控制算法與軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為3個(gè)部分：檢測(cè)光源、檢測(cè)顯示電流、步進(jìn)電機(jī)控制。算法設(shè)計(jì)也圍繞這3個(gè)方面展開(kāi)。

3.1 控制算法

水平方向用4個(gè)光敏電阻來(lái)尋找和跟蹤光源，將光敏電阻接入比較器串聯(lián)滑動(dòng)變阻器，接在LM324輸入端，單片機(jī)通過(guò)電平變化來(lái)判斷光源的具體位置。

在沒(méi)有檢測(cè)到光時(shí)，兩個(gè)比較器都輸出低電平，當(dāng)有一個(gè)檢測(cè)到光時(shí)，與此相連的比較器輸出變?yōu)楦唠娖?，?dāng)兩個(gè)比較器的輸出都為高電平時(shí)，說(shuō)明此時(shí)光源在兩個(gè)光敏電阻之間，此時(shí)已檢測(cè)到光源的中心，控制電機(jī)停止。

在光源跟蹤時(shí)，通過(guò)判斷水平方向兩個(gè)比較器的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)左邊的比較器輸出為高電平，右邊輸出低電平時(shí)，說(shuō)明光源左移，控制步進(jìn)電機(jī)左移。同理可控制電機(jī)右移。當(dāng)兩個(gè)比較器輸出都為高電平時(shí)，說(shuō)明光源在中心，不用移動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)比較器都輸出低電平時(shí)，都沒(méi)檢測(cè)到光源，此時(shí)重新掃描。

由于要實(shí)現(xiàn)激光筆對(duì)準(zhǔn)光源時(shí)，將光源支架沿著直線LM平穩(wěn)緩慢(15秒內(nèi))移動(dòng)60 cm，激光筆能夠連續(xù)跟蹤指向光源，而系統(tǒng)采用的減速步進(jìn)電機(jī)可將一個(gè)圓周細(xì)分為4096步，每個(gè)脈沖走的距離約為：

每個(gè)脈沖步進(jìn)3.07 mm，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的連續(xù)跟蹤。要實(shí)現(xiàn)將光源支架沿著直線LM平穩(wěn)緩慢(15秒內(nèi))移動(dòng)60cm，激光筆能夠連續(xù)跟蹤指向光源，當(dāng)沿直線移動(dòng)時(shí)，光源的豎直高度將發(fā)生變化，豎直方向檢測(cè)方式類似于水平方向檢測(cè)跟蹤，因而可實(shí)現(xiàn)整個(gè)平面內(nèi)跟蹤。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖4 單片機(jī)2流程圖

圖5 單片機(jī)1流程圖

光源自動(dòng)追蹤系統(tǒng)組成

光源自動(dòng)追蹤系統(tǒng)一般包括以下幾個(gè)組成部分：

1.光感器：主要負(fù)責(zé)感受周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度，將感受到的信號(hào)傳輸給控制器。

2.控制器：根據(jù)光感器傳輸?shù)男畔⒑妥陨沓绦虻脑O(shè)定，計(jì)算出最佳光源位置，并向執(zhí)行器下達(dá)指令，控制光源的移動(dòng)。

3.執(zhí)行器：負(fù)責(zé)根據(jù)控制器的指令，控制光源的位置和方向。

光源自動(dòng)追蹤系統(tǒng)工作原理

當(dāng)環(huán)境的光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光感器會(huì)感知到并將信號(hào)傳輸給控制器，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯程序分析得到當(dāng)前所處環(huán)境的光照強(qiáng)度，并計(jì)算出適合光源的位置和方向，然后向執(zhí)行器下達(dá)指令，控制光源的位置和方向，使其移動(dòng)到最佳位置。

在實(shí)際使用過(guò)程中，光源自動(dòng)追蹤系統(tǒng)一般還會(huì)設(shè)置一些額外的參數(shù)，如跟蹤速度、跟蹤靈敏度、背景光強(qiáng)等等，以適應(yīng)不同的環(huán)境需求。同時(shí)，針對(duì)不同場(chǎng)景，還可以使用不同的追蹤算法以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的控制。