自动调节光源系统的设计

光源跟踪系统‌是一种能够自动调节光源方向的系统，主要目的是在不同的环境下保持照明效果稳定，提高照明效率和舒适度。它通常由传感器、控制器和执行器三部分组成。传感器负责检测环境亮度和人体位置，控制器根据传感器反馈的信息计算出最优的光源方向指令，执行器则根据指令调节光源方向‌1。

光源跟踪系统的应用场景

光源跟踪系统广泛应用于各种需要自动调节光源方向的场景，包括但不限于：

‌光学实验‌：在光学实验中，光源跟踪系统可以帮助精确地追踪和定位光束，确保实验结果的准确性。

‌天文观测‌：在天文学中，光源跟踪系统可以用于追踪和观测天体，帮助科学家进行天文研究。

‌自动化设备‌：在自动化生产线上，光源跟踪系统可以自动调整照明，提高工作效率和产品质量。

光源跟踪系统的技术原理

光源跟踪系统的技术原理主要包括以下几个部分：

‌传感器‌：通常使用光敏电阻和红外传感器。光敏电阻检测环境亮度并将其转化为电信号，红外传感器检测人体位置并将其转化为数字信号‌1。

‌控制器‌：控制器采用PID控制算法，通过比较目标值与实际值之间的误差来调整输出量，从而实现对光源方向的控制‌1。

‌执行器‌：常用的执行器是舵机或步进电机。舵机根据输入的PWM信号调整自身角度，步进电机则通过接收控制信号驱动转动‌12。

本设计以MSP430F149为控制核心，通过放大器LM324做比较器比较光敏电阻感受光强度，控制减速后的步进电机，调节激光笔上下左右转动，实现精确跟踪光源的目的。系统采用LM317调节电压的方式实现LED电流一定范围内的调节，利用MSP430F149内部的ADC采集OPA335放大后的电压信号，并计算出电流值，采用12864液晶进行实时显示。经测试，激光笔能准确地跟踪光源。

1 系统方案论证

1.1 系统各模块方案的选择与论证

(1)电机驱动模块。采用L298驱动芯片组成驱动电路，可以通过控制中心输出的高低电平对电动机的方向进行控制，并且可以通过PWM波直接控制电动机的速度。电路较为简 ～单，容易实现，驱动能力和抗干扰能力强，性价比高。

(2)LED灯电流调节与光源检测模块。发射端通过直流稳压电源来点亮白光LED，通过调节白光LED两端的电压来调节电流从而调节亮度，接收端采用多个光敏电阻，通过光敏电阻阻值的变化来判断光源的位置。

(3)LED电流检测模块。在LED的下端串联一0.1Ω的电阻，电阻的另一端接地，采用OPA335精密放大器对0.1 Ω电阻的压降进行放大，再通过AD采样处理，从而测量计算出流过LED的电流。

1.2 系统组成

本系统采用两片TI公司的MSP430F149单片机分别作为发送部分和接受部分的控制核心，完成信号发送和接收、电流检测、控制电机、键盘输入及液晶显示等功能。MSP430F149单片机内部资源丰富，集成了A/D模块，无需扩展引脚，电路设计和制作简单，功耗低。

外围电路模块包括：电机驱动模块、LED控制模块、电流检测模块、光信号的发射与接收模块和液晶显示模块。

2 理论分析与硬件电路设计

2.1 LED控制和电流检测电路

LED通过调节LED两端的电压，来改变电流，从而实现亮度的调节，可将LED控制电路采用分压的方式，将LED与一个1OΩ的电阻串联来对LED分压，通过调节串联电路电压来调节电流，控制LED的亮度。经过计算：

即10Ω 电阻的功率最大值将近1.6W。故10Ω 电阻采用3W的功率电阻。

电压调整采用LM317，其输出电压范围为：

即可调范围为4.0 V到8.4V，换算成电流为：

即电流范围可达80～440 mA，可满足在150-350 mA的范围内调节要求。

电流检测模块通过测量电路中已知电阻两端电压来换算出电流，由于用来测量电压的电阻阻值要尽量小，故选择0.1Ω 的功率电阻，并联的放大器等效电阻可忽略不记，经过计算，0.1 Ω 电阻两端的压降在0.008 V～0.042 V之间，电压值非常小，需要经过一级电压放大电路。由于单片机的AD采样内部参考电压最大值为3.3 V，因此放大后电压值3.3V以内。

电压放大采用TI公司的轨到轨运算放大器0PA335，该运放具有良好的电压放大性能，单电源供电，放大直流信号没有衰减，连接为同相比例放大。0PA335的输出接单片机的模拟信号输入端P6.0，进行AD采样。电路如图2所示。

图2 电流调节与检测电路

2.3 电机驱动电路

由于采用步进减速电机，电流较大。

经过测量，在7V电压供电时，电机的电流为1.4A，在5v供电时，电流为0.9 A，系统采用7.2 V的干电池供电，电机驱动芯片需要能够承受较大的电流。故采用L298作为电机驱动，能承受足够大的电流。

2.4 检测光源电路

检测光源电路的主要原理是通过检测到光敏电阻的电阻变化，从而引起电压的变化，单片机通过识别不同的电压信号来控制电机的转动。本设计还采用套黑管的方法提高精确度。

将LM324用做电压比较器，LM324的反向输入端通过两个相等的电阻将电源的电压分半，作为反向输入端的输入电压，在同向输入端同样采用分压的原理，上端连接光敏电阻，下端接一个100K的滑动变阻器来调节光敏电阻的灵敏度。电路如图3所示。

图3 检测光源电路

3 控制算法与软件设计

系统软件主要分为3个部分：检测光源、检测显示电流、步进电机控制。算法设计也围绕这3个方面展开。

3.1 控制算法

水平方向用4个光敏电阻来寻找和跟踪光源，将光敏电阻接入比较器串联滑动变阻器，接在LM324输入端，单片机通过电平变化来判断光源的具体位置。

在没有检测到光时，两个比较器都输出低电平，当有一个检测到光时，与此相连的比较器输出变为高电平，当两个比较器的输出都为高电平时，说明此时光源在两个光敏电阻之间，此时已检测到光源的中心，控制电机停止。

在光源跟踪时，通过判断水平方向两个比较器的状态来实现。当左边的比较器输出为高电平，右边输出低电平时，说明光源左移，控制步进电机左移。同理可控制电机右移。当两个比较器输出都为高电平时，说明光源在中心，不用移动。当两个比较器都输出低电平时，都没检测到光源，此时重新扫描。

由于要实现激光笔对准光源时，将光源支架沿着直线LM平稳缓慢(15秒内)移动60 cm，激光笔能够连续跟踪指向光源，而系统采用的减速步进电机可将一个圆周细分为4096步，每个脉冲走的距离约为：

每个脉冲步进3.07 mm，可实现对光源的连续跟踪。要实现将光源支架沿着直线LM平稳缓慢(15秒内)移动60cm，激光笔能够连续跟踪指向光源，当沿直线移动时，光源的竖直高度将发生变化，竖直方向检测方式类似于水平方向检测跟踪，因而可实现整个平面内跟踪。

3.2 软件设计流程图

图4 单片机2流程图

图5 单片机1流程图

光源自动追踪系统组成

光源自动追踪系统一般包括以下几个组成部分：

1.光感器：主要负责感受周围环境的光照强度，将感受到的信号传输给控制器。

2.控制器：根据光感器传输的信息和自身程序的设定，计算出最佳光源位置，并向执行器下达指令，控制光源的移动。

3.执行器：负责根据控制器的指令，控制光源的位置和方向。

光源自动追踪系统工作原理

当环境的光照强度发生变化时，光感器会感知到并将信号传输给控制器，控制器根据预设的逻辑程序分析得到当前所处环境的光照强度，并计算出适合光源的位置和方向，然后向执行器下达指令，控制光源的位置和方向，使其移动到最佳位置。

在实际使用过程中，光源自动追踪系统一般还会设置一些额外的参数，如跟踪速度、跟踪灵敏度、背景光强等等，以适应不同的环境需求。同时，针对不同场景，还可以使用不同的追踪算法以实现更加准确的控制。