基于LM3S811單片機的LED點光源跟蹤系統的設計

崔 鳴，尚 麗

(蘇州市職業大學 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

基于LM3S811單片機的LED點光源跟蹤系統的設計

崔 鳴，尚 麗

(蘇州市職業大學 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

以TI公司的超低功耗MCU LM3S811單片機為核心控制器,設計并制作了一個LED點光源自動跟蹤系統.LM3S811計算出位置誤差后,采用PI控制算法處理,以驅動減速電機跟蹤點光源.經過實際場景測試,當點光源支架沿著圓周和直線緩慢平穩移動限定的角度和距離時，該系統均能使激光筆在左右和上下移動方向上快速、連續地實現LED點光源的跟蹤.

LM3S811單片機; LED點光源; 自動跟蹤系統; 激光筆

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

面對未來能源日趨枯竭，如何簡單、快速地實現太陽光的自動跟蹤，高效率、全方位地利用太陽能是目前需要解決的一個關鍵問題.對點光源自動跟蹤系統進行設計和實驗的結果，無疑對太陽光源的自動跟蹤實現具有理論和現實意義[1-2].本文將白光LED作為點光源，利用LM3S811單片機作為核心控制器，設計并實現了一個點光源自動跟蹤系統.

1 系統設計方案

1.1 點光源跟蹤系統設計

設計的點光源跟蹤系統如圖1所示.圖中B是光源，距地面高度約100 cm，采用單只1 W白光LED，電流在150～350 mA范圍內調節.支架可以手動方式沿著以A點為圓心、半徑為173 cm的圓周在小于±45°的范圍內移動，也可以沿直線LM移動.在光源后3 cm距離內，光源中心線垂直平面上設置一直徑不小于60 cm暗色紙板.

光源跟蹤系統A放置在地面上，通過使用光敏器件檢測光照強度判斷光源的位置，并以激光筆指示光源的位置.

1.2 實驗方案選擇

1) 光敏器件選擇.常見的有光敏二機管、光敏三機管、光敏電阻、紅外接收管等.分別使用不同外殼形狀的光敏二極管和光敏電阻及其串并聯形式做采光實驗，本系統中選用光敏電阻作為感光元件，利用光敏電阻的串并聯組合作為一組感光管，分別采集左右和上下移動方向上的白光LED點光源光照強度.實驗中采用泡沫、遮光紙設計了幾種光敏電阻布局方案，如圖2所示.通過多次采光情況的實驗對比結果，設計中選定圖2(d)中的光敏電阻布局方式.

圖1 光源跟蹤系統示意圖

圖2 光敏電阻布局

2) 直流電機選擇. 本設計選用減速直流電機作為驅動電機, 首選12 V減速直流電機驅動激光筆運動，采用H橋電路驅動電機，電機控制方式采用PWM控制.

3) 激光筆電動支架. 主要由光敏電阻檢測裝置、底座、激光筆支架、扇形盤、限位校準片、兩個12 V的直流減速電機構成.下面的直流電機控制激光筆左右移動，上面的電機控制激光筆上下移動.設計的激光筆電動支架如圖3所示.

1.3 點光源檢測方法

采用電橋測量原理檢測光照強度.當LED燈不亮時，調整電橋平衡為平衡狀態，電橋輸出電壓則表示環境光照強度值，把該值作為一個比較電壓;當LED燈點亮時，根據橋臂上感光管的感應電壓變化情況，電橋輸出電壓變化可以擴大到2倍，光照強度值被放大，能夠較明顯地判斷出光源變化方向，從而確定激光筆移動方向.基于電橋測量原理的光照強度測量方案如圖4所示.

圖4中，R1、R3表示感光管阻值，R2、R4為可調電阻.這4個電阻依次接在A、B、C、D之間，構成電橋的四橋臂.電橋的對角AC接入電源，其上電壓用E表示;對角BD為電橋的輸出端，其輸出電壓用UDB表示，它與橋臂電阻有如下關系

圖3 激光筆電動支架

圖4 光照強度測量放大電路

當電阻R1=R2=R3=R4時，電橋平衡.當各個電阻發生變化時(設變化量分別是ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4)，輸出電壓UDB的相應變化為

通過調整橋臂阻值，可以直接影響電橋輸出電壓的大小，然后通過電壓跟隨和電壓放大電路送入LM3S811進行處理，能夠快速有效地檢測到光源變化方向.

根據上述基于電橋的光照強度測量電路設計點光源檢測方案.當LED燈亮時，測得的感應電壓與比較電壓相比，并經過電壓跟隨和放大，所得到的電壓值送入單片機進行分析處理，然后輸出信號到直流電機H橋驅動電路信號端，H橋輸出隨感應電壓的高低變化來控制直流電機正反轉，從而達到動態調節，使得激光筆能夠連續跟蹤點光源，實現點光源檢測.如圖5所示.

圖5 點光源檢測示意圖

2 系統設計

2.1 硬件設計

設計的點光源跟蹤系統硬件模塊主要包括:以LM3S811單片機為核心的主控制模塊、點光源檢測模塊、光照強度測量放大電路、直流電機PWM控制模塊、LED驅動電路模塊、LCD顯示和電源管理模塊等[3-4]，其系統硬件實現原理框圖(左右和上下移動硬件實現原理相同)，如圖6所示.

2.2 系統單元電路設計

系統使用的直流電源分別為5 V和12 V，直接使用AC-DC轉換模塊提供給各個單元電路使用.主要的單元電路包括LM3S811最小系統電路、按鍵電路、存儲器電路、LCD顯示接口電路、直流電機驅動電路、光照強度測量放大電路、LED恒流源驅動電路、激光筆開關控制電路、串口通信電路等.限于篇幅，文中主要給出LM3S811最小系統電路(見圖7)、光照強度測量放大電路(見圖8)和LED恒流源驅動電路(見圖9).

LM3S811最小系統電路主要利用單片機實現工作模式選擇、光信號的ADC轉換、數據存儲、顯示、直流電機轉動方向控制等.

設計的光照強度測量電路中，采用光敏電阻和可調電阻組成電橋，采用OPA2365 TI 芯片分別組成電壓跟隨器和電壓放大器.在1、2端和3、4端分別接入感光管，作為電橋的一對邊橋臂，R1、R3和R2、R5作為另一對邊橋臂.初始調節電橋為平衡狀態.當感光管感應電壓變化時，電橋輸出電壓變化.該電路在光線較弱的情況下，也可以較好地檢測到光線變化方向.

采用TL431并聯型三端穩壓基準和LM358芯片組成白光1 W LED恒流源驅動電路，該電路可使LED的電流在150～350 mA內調節.DS1為過流故障指示燈，DS2為1 W LED燈.

圖6 系統硬件實現框圖

圖7 LM3S811最小系統電路

圖8 基于電橋原理的光照強度測量放大電路

2.3 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，分為主程序和子程序兩大部分.子程序主要包括A/D轉換、計數、PWM電機控制定位調整等.圖10為主程序和重要的子程序流程圖.

3 測試結果

主要測試過程為:

1) 考慮外界光線影響，調整機械結構工作是否正常.控制電機轉動至標記的中心、左右和上下的電子限位和機械限位位置，觀測激光筆移動范圍是否正確，調整控制程序.

2) LED滅，檢測環境光照強度.檢測激光筆在中心點、左右、上下邊界處時，上下眼和左右眼的光照強度偏差，并檢測激光筆從中心點向左右和上下移動時，光照強度的變化并存儲數據.

圖9 LED恒流源驅動電路

圖10 系統軟件流程圖

3) 設定不同的LED輸出電流值，考慮測試環境，例如測試時間段(白天、晚上)、窗簾開閉、室內照明燈開關、室內門開閉等，測試系統跟蹤點光源變化情況，調整控制程序.

4) 選定測試環境，設定LED電流值為300 mA，調整題目中要求的初始狀態(光源中心線與支架間的夾角約為60°)，現場設置參數，觀察點光源跟蹤情況.

5) 將激光筆光點調偏離點光源中心30 cm時，觀測點光源跟蹤情況.

6) 調整激光筆對準點光源，使光源支架沿著圓周緩慢平穩移動60°(約60 cm)，觀測點光源跟蹤情況;然后使得支架沿著直線緩慢平穩移動60 cm，觀測點光源跟蹤情況.

7) 使激光筆對準點光源，將光源支架旋轉角度 ，觀測點光源跟蹤情況.

8) 改變LED輸出電流值，現場設置參數，觀察點光源跟蹤情況.

LM3S811的ADC轉換信號記為ADC0～ADC4.其中ADC0和ADC1采集的光信號認為是左方觀測到光照強度;ADC2和ADC3采集的光信號認為是右方觀測到光照強度;ADC0和ADC3采集的光信號認為是上方觀測到光照強度;ADC1和ADC2采集的光信號認為是下方觀測到的光照強度.

根據上述測試方法，在正常光照射和窗簾打開的情況下，觀測到的點光源跟蹤情況見表1和表2.

表1 沿著圓周及直線平穩緩慢移動約60 cm觀測到的點光源跟蹤結果

表2 光源支架旋轉角度觀察到的點光源跟蹤結果

4 結 論

以1 W的白光LED作為點光源，利用LM3S811單片機作為核心控制器，設計并實現了白光LED點光源的快速自適應跟蹤.該系統結構簡單、成本低，而且在跟蹤過程中能自動記憶和更正點光源坐標位置，不必人工干預，有較好的推廣應用價值.

[1] 薛建國. 基于單片機的太陽能電池自動跟蹤系統的設計[J]. 長春師范學院學報:自然科學版,2005,24(3):26-30.

[2] 張興磊, 楊麗麗. 一種太陽自動跟蹤系統的設計[J]. 青島農業大學學報,2008,26(4):315-318.

[3] 李敏,劉京城,劉俊,等. 一種新型的太陽能自動跟蹤裝置[J]. 電子器件,2008,31(5):1702-1703,1708.

[4] 侯長來. 一種太陽自動跟蹤裝置的設計[J]. 現代機械,2005(1):66-68.

(責任編輯: 李 華)

Design of LED Point Source Tracking System Based on LM3S811 Single-chip Microcomputer

CHUI Ming, SHNG Li
(Department of Electronic Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)

TP29

A

1008-5475(2011)01-0016-06

2010-10-25;

2010-12-12

江蘇省青藍工程資助項目; 蘇州市職業大學教改課題資助項目(SZDG4-09024)

崔 鳴(1972-),男,江蘇常州人,工程師,主要從事數字通信信號處理研究; 尚 麗(1972-),女,安徽碭山人,副教授,高級工程師,博士,主要從事人工智能和數字圖像處理研究.