智能光源追踪器的设计

【摘要】本文设计是以达盛公司Cortex-M3超低功耗单片机为控制核心，通过五个光敏电阻模块来检测光照，当以光敏三极管组成的感光探头接受光照产生电信号经过放大器放大送到模数转换模块，得到的数字信号送到主控芯片，在主控芯片经过一系列的处理产生控制步进电机转动的相关信号，将这些信号送到步进电机驱动模块，进而驱动两电机的左右转，以至于可以找到点光源的位置。但由于技术受限，最终的灵敏度和精确度不是很高，处于半自动的状态。

【关键词】太阳能；利用率；自动追踪；Cortex-M3；技术受限

前言

随着社会和科技的发展，资源的需求量不断加大，光是地球上最丰富的可再生利用的绿色环保能源，在利用集热器收集它的热能或通过太阳能电池板将其转换成电能的工程中，都希望发挥最大效率。本文采用的是TI公司LM3S811超低功耗单片机为控制核心，利用一些外围部件来实现对光源的自动追踪。通过光源跟踪系统帮助受光平面跟随光源运动以获得充足的光达到最大利用率。跟踪系统主要是一个单片机控制的机械运动机构，该系统具有半自动，跟随精度高，灵敏度高等优点[1]。

1、系统硬件的总体设计和各功能模块的选型。

总体设计是感光模块将采集到的光信号转换成变化的电信号，所有的电信号发送到模数转换电路，将模拟信号转换成8位数字信号，进而将数字信号传送到主控芯片LM3S811，在主控芯片里通过比较各路信号的大小来决定驱动步进电机的转动，从而达到探头追踪光源的目的。其中，电机驱动模块可以细分驱动信号，进而可以使电机转动的平稳。同时，本系统还可以通过按键调速电路来控制电机的转动速度，调速信号传输到主控芯片以后，通过改变PWM波的占空比来改变其功率，从而改变电机的转速。此时此刻，电机的速度级别会在显示速度模块显示。

根据硬件总体设计图来对系统的各主要功能模块进行选型。本次设计要求探测距离在100cm处，且能准确快速探测到光源，相比之下光敏三极管具有较宽的检测范围，且符合此次系统的要求，所以选择光敏三极管组成的光电转换模块来担当探头。考虑到本系统使用的模拟信号输入总共有9路输入信号，本系统选择TLC2543芯片。主控芯片选TI公司提供的LM3S811。

为了设计一个稳定精确的系统，使用混合式步进电机及带有细分功能的驱动模块。

2、追踪点光源方案选择

取A、B、C、D、E、F、G、H、I九个同一型号的感光模块，以E为中心，A、C以BD直线对称表示竖直方向的，B、D以AC直线对称表示水平面的。在整个系统的周围安置F、G、H、I，用于采集其他光源的影响。将这些信号作为比较的基准，滤去干扰。当探头正对准电光源时，E感受到的光强最强。当偏离探头没有对准点光源时，这样就导致A、B、C、D其中某一个三极管感受到的光强比E号强；在水平方向，通过判断B、D中哪一个光强比E号的强来调整控制水平方向方位步进电机向受光照强度大的那个光敏三极管旋转来确保E号始终置中；在竖直方向，通过判断A、C中哪一个光强比E号的强来调整控制水平方向方位步进电机向受光照强度大的那个光敏三极管旋转来确保E号始终置中[2]。

采用型号为3DU33的光敏三极管作为探头的感光元件；系统控制器用Cortex-M3；采用了两个步进电机，分别放置在水平面上和竖直面上。将空间划分为一个三维空间，在水平面上的步进电机可以转动360度，而在竖直方向上的步进电机只需要转动180度。同时，竖直方向上的步进电机是固定在水平面上的步进电机之上的，从而在两个步进电机的共同转动之下就可以达到在整个空间寻找到目标光源的作用。

3、系统软件设计

系统软件设计分为以下几个实现阶段：a系统初始化；b光信号采集找到点光源的位置；c系统总开关打开，采集光信号，探头跟随点光源的移动而移动。

4、系统整机调试

所有的电路都已经设计完成后进行整机的调试。为了便于观察，该系统在探头的中间位置固定了一个激光器，当探头正对某一物体时，可以在该物体上显示一个小的光点。因此，我们可以比较明显的观察探头是否可以找到点光源。对系统的整机调试分软件和硬件调试，软件调试主要看程序的运行情况，硬件调试主要看系统追踪点光源的情况。

4.1软件调试

根据本系统软件设计的流程，在这里调试软件主要设置了V0—V8九个表示光感应光信号的变量。其中，V0—V4五个变量表示探头上的感应光信号并且V4表示探头中间的感应光信号，其余的就是表示为了防止外界干扰所感应的光信号。具体调试过程如下：

a程序编写完成，build源程序产生可执行文件；

b系统上电后系统就开始初始化，包括时钟、模数转换接口、PWM、光感应信号接口、调速控制接口等的初始化，观察相关寄存器的变化；

c系统初始化后，会及时的采集光信号，在主控芯片的控制下TLC2543芯片开始模数转换，观察相关变量的变化情况；

d各路探头采集的光信号经过模数转换后，在控制芯片内不断循环进行比较各路信号的大小来分别控制两电机的转动。当探头中间的光敏三极管受到的光强最大并且大于外界光强时探头就停止。否则对于水平面的电机而言，会根据比较V0和V1的大小来决定水平面撒谎能够电机的正反转；对于竖直方向上的电机而言，会根据V2和V3的大小来决定竖直方向电机的正反转，观察相关变量和寄存器的变化。

4.2硬件测试

对系统的硬件测试包括以下几个步骤：

a光源放置在任意位置，首先要保证探头在初始时并没有对准光源。然后系统初始化，让系统自动寻找点光源。

现象：探头会在预定的轨道转动直到找到点光源为止。找到点光源后会随着点光源的位置的移动而移动；

b在探头对准点光源后，先慢慢移动点光源然后加快点光源移动的速度。

现象：在探头对准点光源之后，若点光源慢慢移动，则探头可以跟随点光源的移动速度而移动；若点光源移动的的速度过快，则探头会滞后于点光源的移动，但是，探头移动的大概方向还是朝着点光源移动的方向；

c点光源在以探头为圆心半径为1m的圆周上匀速移动。

现象：在点光源的移动线速度不大于某一定值时，探头可以跟随点光源的移动而移动；

d点光源在一条直线上移动。

现象：当点光源和探头的距离限定在某一值内，探头可以始终转动到点光源所在的位置并指向点光源；若点光源离探头较远，则探头无法准确的找到点光源的位置，只是大致的指向电光源的位置。

在所有的测试中，探头始终都是可以找到点光源的位置的。只是，还是存在两个方面的问题：

a激光笔的光电不能正好打在所追踪的光源的正中心，说明探头的精准度不够；

b点光源与探头的距离越远，探头找到点光源的位置就越不是很准确，甚至找到大致方向后不会停下来对准点光源，说明探头中的感应器件的感应距离有限。

5、结论

本论文分别从各模块的论证，各模块的电路设计，各模块的工作原理以及总体电路设计等各方面研究了自动光源追踪器的设计与实现。并且对设计的效果进行了验证，其结果是比较理想的，基本上实现了所预想的结果，可以达到自动追踪点光源的目的。

本系统的完成，从整个过程和结果上来看存在一些优点：集成度高，外围电路简洁，适应环境能力强，功耗低；采用了4个光电转换模块采集的室内信号作为探头来判决的参考值，从而避免了室内白光的干扰；在探头的中间位置固定了一个激光器，可以比较明显的看到系统所达到的效果；采用了带有细分功能的驱动模块，可以比较稳定的驱动电机的转动。由于环境与条件的限制，本系统还存在一些缺陷：精准度不是很高，激光器的光点不能正好打在所追踪物体的正中间；灵敏度不是很高，当点光源移动的速度太快时，探头就不能及时跟踪，需要一定的反应时间，如点光源离探头较远，探头不能准确的感应到点光源的位置；不是完全的智能，由于探头到感应信号传输到模数转换的模块时需要一定的线路，从而该线路就限制了电机的转动自由，不能连续转动两圈以上。希望以后可以在此系统的基础上继续更加深入的研究，可以克服上面所提到的缺陷，实现更加完美和全智能的光源自动追踪系统。争取把本系统没有达到的功能要求慢慢实现。

本系统除了可以使用在提高光源利用率上，还可以用到以下几方面：

a需要高效率利用光能的场合，如太阳能汽车，航天等；

b对光照有苛刻要求的地方，如种子培养，微生物培养等；

c只需更换探头，可以很方便的作为其他追踪系统，如红外等[3]。