基于ARM的光源跟踪系统的设计

时间：2024-08-31

崔琪琳，吴晓凤

（西安石油大学，电子工程学院，陕西西安 710065）

0 引言

随着光机电一体化技术的发展，光源自动跟踪技术受到越来越多的关注，该技术可应用于太阳自动跟踪等领域，使太阳能的利用率和吸收率更高。传统的光源跟踪技术多以单片机为控制核心[1]，其处理速度慢，精度低，已不能满足系统对于跟踪速度和精度的要求，故本文提出了一种基于ARM的光源自动跟踪系统，可以提升跟踪系统的控制精度和响应速度。

1 硬件设计

本设计选用TI的LM3S811作为微控制器[2]。硬件系统由光源发射部分，检测部分和控制部分组成，系统框图如图1所示，驱动芯片UCC38C43驱动LED产生的亮度可调的光源，通过光敏三极管捕获光源信号，经过放大器TLC084进行放大处理，再经过比较器OPA084后输入主控芯片LM3S811,对输入的信号进行分析处理后经过驱动模块L297+L298驱动步进电机带动机械平台转动，从而实现光源跟踪。

图1 系统框图

1.1 光源发射部分

光源发射部分采用UCC38C43芯片驱动，该芯片为低功耗电流模式PWM控制器，最高频率可达1MHz，可以产生控制开关电源变压器的PWM信号，采用交错技术可以显著提高升压转换效率，利用其输出电流峰值可达1A和可调的PWM输出来驱动LED灯，实现亮度可调节的光源发射。

1.2 检测部分

检测部分是整个系统的关键，决定了系统跟踪的精确度，电路图如图2所示，由5个光敏三极管组成，其灵敏度和稳定性好，分别置于可沿固定轴翻转运动的平台上，形成120°圆弧形切面，激光发生器与处于正中间的三极管尽可能地紧密固定在一起，且都指向圆弧外侧。通过对光源信号进行采集，由单电源供电运算放大器TLC084对其进行50倍放大，后经跟随器OPA820对其进行跟随以得到更好的波形，将其输入到LM3S811控制芯片的ADC引脚，经A/D转换后，比较得出的最大值点即为光源点。

图2 检测部分电路图

LM3S811的A/D模块的转换分辨率为10位，支持4个输入通道，含有一个可编程的序列发生器，它可在无需控制器干涉的情况下对多个模拟输入源进行采样，其触发控制非常灵活[6]，本设计采用软件触发方式，该触发方式实现简单，易于操作。

1.3 控制部分

由于步进电机没有累计误差，适用于开环控制，本设计选取五线制步进电机，额定电压24V,电流0.34A，其中间引出一条线可直接接地。由LM3S811控制驱动芯片L297+L298，此芯片可直接由I/O端口提供模拟时序信号，由其驱动步进电机实现电机正反转，带动固定有可翻转检测平台的水平运动控制平台，通过两个电机分别控制这两个平台，使得检测部分能够进行水平和竖直方向上对电光源检测。用齿轮，滑轮、纽带结合软件控制平台的运动速度，最终实现激光在90°范围内对光源的跟踪，使用L297+L298可以作成两相双极性的步进电机驱动电路，如图3所示，它采用定电流方式驱动，每相电流峰值可达2A，L297是步进电机控制器，用来产生两相双极性驱动信号（A、B、C、D）与电机电流设定，L298是用来驱动步进电机的电力输出，是双全桥方式驱动，由于采用双极性驱动，因此电机线圈被完全利用，使步进电机可以达到最佳的驱动。

由于电机步距角很小，大大提高了控制精确。电路接线和电机控制容易实现，实用性强，符合我们设计的要求。

图3 电机控制部分电路图

2 系统软件设计

软件是该系统的重要部分，检测和控制多是软件实现的，其任务是在总体设计和硬件设计基础上实现软件控制功能。系统程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

首先将电机位置初始化，使得运动平台转动在一侧，开始单向转动带动光敏三极管扫描，电机60步换向，在未搜索到点光源前一直进行搜索。若搜到点光源，计算角度误差，若无误差，电机停止转动，此时激光照射的点即为点光源；若有误差，计算误差输出量控制电机移动，激光跟随到点光源，电机停转即完成点光源跟踪。

3 实验结果与分析

将点光源固定在半径为30cm的黑色圆形挡光板上，将板固定在高一米的支架上，使光源中心线和支架呈60°夹角，检测与跟踪平台置于地面，距点光源支架1.73m，初始状态下使激光指向点光源，将点光源沿水平和圆周移动，记录激光跟踪点光源的间和误差，调整电流改变点光源亮度，重复以上过程，结果如表1所示。

如表1所示，点光源电流为100mA时，当点光源中心水平移动时，激光能够在短时间内跟踪点光源，由于光敏三极管和激光发射器在设计时没有完全重合，存在一定的误差，故激光不能与点光源完全重合；将其初始化，再以检测装置为圆心，将光源支架在10-15s内沿着圆周缓慢平稳移动20°，激光能够连续跟踪指向LED点光源，距离点光源4.5cm；调节点光源的电流为50mA改变亮度，重复以上实验，同样可以得到期望的结果。实验结果表明该系统点光源的跟踪精度和速度都有很大提升，点光源亮度在一定范围变化后，同样可以实现跟踪。

表1 实验结果