光源跟蹤系統(tǒng)?是一種能夠自動調(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)用場景

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

?光學(xué)實驗?：在光學(xué)實驗中，光源跟蹤系統(tǒng)可以幫助精確地追蹤和定位光束，確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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

?自動化設(shè)備?：在自動化生產(chǎn)線上，光源跟蹤系統(tǒng)可以自動調(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。光敏電阻檢測環(huán)境亮度并將其轉(zhuǎn)化為電信號，紅外傳感器檢測人體位置并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號?1。

?控制器?：控制器采用PID控制算法，通過比較目標(biāo)值與實際值之間的誤差來調(diào)整輸出量，從而實現(xiàn)對光源方向的控制?1。

?執(zhí)行器?：常用的執(zhí)行器是舵機或步進(jìn)電機。舵機根據(jù)輸入的PWM信號調(diào)整自身角度，步進(jìn)電機則通過接收控制信號驅(qū)動轉(zhuǎn)動?12。

本設(shè)計以MSP430F149為控制核心，通過放大器LM324做比較器比較光敏電阻感受光強度，控制減速后的步進(jìn)電機，調(diào)節(jié)激光筆上下左右轉(zhuǎn)動，實現(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，并計算出電流值，采用12864液晶進(jìn)行實時顯示。經(jīng)測試，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)電機驅(qū)動模塊。采用L298驅(qū)動芯片組成驅(qū)動電路，可以通過控制中心輸出的高低電平對電動機的方向進(jìn)行控制，并且可以通過PWM波直接控制電動機的速度。電路較為簡 ～單，容易實現(xiàn)，驅(qū)動能力和抗干擾能力強，性價比高。

(2)LED燈電流調(diào)節(jié)與光源檢測模塊。發(fā)射端通過直流穩(wěn)壓電源來點亮白光LED，通過調(diào)節(jié)白光LED兩端的電壓來調(diào)節(jié)電流從而調(diào)節(jié)亮度，接收端采用多個光敏電阻，通過光敏電阻阻值的變化來判斷光源的位置。

(3)LED電流檢測模塊。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0.1 Ω電阻的壓降進(jìn)行放大，再通過AD采樣處理，從而測量計算出流過LED的電流。

1.2 系統(tǒng)組成

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

外圍電路模塊包括：電機驅(qū)動模塊、LED控制模塊、電流檢測模塊、光信號的發(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

2.1 LED控制和電流檢測電路

LED通過調(diào)節(jié)LED兩端的電壓，來改變電流，從而實現(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1OΩ的電阻串聯(lián)來對LED分壓，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)電路電壓來調(diào)節(jié)電流，控制LED的亮度。經(jīng)過計算：

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。

電流檢測模塊通過測量電路中已知電阻兩端電壓來換算出電流，由于用來測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)過計算，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)過一級電壓放大電路。由于單片機的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公司的軌到軌運算放大器0PA335，該運放具有良好的電壓放大性能，單電源供電，放大直流信號沒有衰減，連接為同相比例放大。0PA335的輸出接單片機的模擬信號輸入端P6.0，進(jìn)行AD采樣。電路如圖2所示。

圖2 電流調(diào)節(jié)與檢測電路

2.3 電機驅(qū)動電路

由于采用步進(jìn)減速電機，電流較大。

經(jīng)過測量，在7V電壓供電時，電機的電流為1.4A，在5v供電時，電流為0.9 A，系統(tǒng)采用7.2 V的干電池供電，電機驅(qū)動芯片需要能夠承受較大的電流。故采用L298作為電機驅(qū)動，能承受足夠大的電流。

2.4 檢測光源電路

檢測光源電路的主要原理是通過檢測到光敏電阻的電阻變化，從而引起電壓的變化，單片機通過識別不同的電壓信號來控制電機的轉(zhuǎn)動。本設(shè)計還采用套黑管的方法提高精確度。

將LM324用做電壓比較器，LM324的反向輸入端通過兩個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100K的滑動變阻器來調(diào)節(jié)光敏電阻的靈敏度。電路如圖3所示。

圖3 檢測光源電路

3 控制算法與軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分為3個部分：檢測光源、檢測顯示電流、步進(jìn)電機控制。算法設(shè)計也圍繞這3個方面展開。

3.1 控制算法

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

在沒有檢測到光時，兩個比較器都輸出低電平，當(dāng)有一個檢測到光時，與此相連的比較器輸出變?yōu)楦唠娖?，?dāng)兩個比較器的輸出都為高電平時，說明此時光源在兩個光敏電阻之間，此時已檢測到光源的中心，控制電機停止。

在光源跟蹤時，通過判斷水平方向兩個比較器的狀態(tài)來實現(xiàn)。當(dāng)左邊的比較器輸出為高電平，右邊輸出低電平時，說明光源左移，控制步進(jìn)電機左移。同理可控制電機右移。當(dāng)兩個比較器輸出都為高電平時，說明光源在中心，不用移動。當(dāng)兩個比較器都輸出低電平時，都沒檢測到光源，此時重新掃描。

由于要實現(xiàn)激光筆對準(zhǔn)光源時，將光源支架沿著直線LM平穩(wěn)緩慢(15秒內(nèi))移動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)電機可將一個圓周細(xì)分為4096步，每個脈沖走的距離約為：

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

3.2 軟件設(shè)計流程圖

圖4 單片機2流程圖

圖5 單片機1流程圖

光源自動追蹤系統(tǒng)組成

光源自動追蹤系統(tǒng)一般包括以下幾個組成部分：

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

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。

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。

光源自動追蹤系統(tǒng)工作原理

當(dāng)環(huán)境的光照強度發(fā)生變化時，光感器會感知到并將信號傳輸給控制器，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)境的光照強度，并計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，使其移動到最佳位置。

在實際使用過程中，光源自動追蹤系統(tǒng)一般還會設(shè)置一些額外的參數(shù)，如跟蹤速度、跟蹤靈敏度、背景光強等等，以適應(yīng)不同的環(huán)境需求。同時，針對不同場景，還可以使用不同的追蹤算法以實現(xiàn)更加準(zhǔn)確的控制。