TI杯模拟电路设计大赛
设计报告
学校：东南大学
参赛队员：邱韵如 16008405
王颖 16008404
印俊 06008333
题目：点光源跟踪系统（B题）
摘要
本系统使用TI公司的MSP430系列单片机为主要控制器，辅以舵机驱动、电源、键盘、LCD显示、LED驱动以及电流的调节和显示、光电传感装置数据采集、信号放大等电路。实现了一个由一个主站控制多个从站的点光源跟踪系统。电机控制使用了PID控制算法可有效地减少超调量和静态误差，缩短检测并跟踪光源的时间。主机采用LCD显示，用户界面友好。在系统设计上，尽可能的降低功耗。整个系统结构清晰，经测试，该系统较好的实现了题目所要求的基本和发挥功能。
关键字
MSP430，舵机，光电传感装置， PID控制，低功耗
Abstract
The system uses TI's MSP430 as the main controller ,combined with Steering gear drive ,power supply , Keyboard ,LCD display ,LED drive with Current regulation and display ,photoelectric sensor data collection , signal amplification circuit .It achieves the target that track point source of controlling multiple slave stations by a master station .The fuzzy control and PID control working on the motor drive can effectively reduce the amount of over regulating and the static error and shorten the time to detect and track point source .Host use LCD ,user-friendly .We also use some methods to reduce power consumption . The entire system with clear structure has been tested to complete not only the topics required basic functional but also the extended functional .
Keywords
MSP430, Steering gear, Photoelectric sensor devices ,PID control ,Low power consumption
一．方案论证与比较
1.1 系统基本方案
根据题目要求，系统可以划分为电源模块，键盘模块，LED驱动模块，显示模块，单片机驱动电机模块，光电传感模块，信号放大模块。为实现各模块的功能，作了实际方案，并进行了论证。
1.1.1各模块方案选择和理论分析与计算
（1）电源模块
本系统中，采用需要±12V，5V以及正负可调电压分别给电路供电。所以采用经典的三端稳压芯片LM78XX，LM79XX制作±12V电源，5V电源和可调电源。
（2）键盘模块
键盘模块采用通用的MSP430单片机开发板自带的矩阵键盘，设置中断脚，节省MCU资源以处理其他数据。
（3）LED驱动模块
方案一：TLC083
采用C803的两个运放做成恒流源，一个运放接成电压跟随器接到第二个运放的正输入端，通过电阻阻止的调节可以使得输出电流为I＝Vi／R，通过调节Vi和R的值来改变I的大小。该方案可以避开LED的阻值问题直接控制电流，但是供电电压要12V，且芯片引脚较多是电路复杂，加重了实际焊接的工作，使其优势并不明显。
方案二：OP07
用三个OP07做成恒流源，接法同上面差不多，可是实际测试会出现正负运放管脚电压不相等的情况，这个方案通过检测和推断是电阻或者级联时出现的问题，级联复杂，且没办法实现低功耗的要求。
方案三：LM317
用317系列三端可调式集成稳压器，可以通过简单的电路连接得到恒流源I=1.25/R +I（I=50υA），可移动过精密电位器调节R从而改变I，得到相应的电流范围用来驱动大功率LED灯。该方案电路简单可实现，功耗较低。
方案选择：综上，选定方案三。
（4）显示模块
使用液晶显示屏进行功能提示，以及显示所需要的按键。LCD具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。
（5）单片机驱动电机模块
单片机方案：
TI创新生产的MSP430具有超低功耗，强大的处理能力，高性能模拟技术及丰富的片上外围模块，具有丰富的寄存器资源灵活的操作方式，系统工作稳定，方便高效的开发环境等重要特点。并且它有通过采用三种工作模式，达到超低功耗的效果，从休眠模式转换位工作模式只需花费不到1μ s 。而且容易上手。
电机方案：
数码舵机具有效率高，速度快，稳定性好，灵敏度高，体积小，扭力大等特点。数码舵机内置了微型处理器，这个微型处理器可以根据接收的信号给出更为准确的指令。因为数码舵机的输出轴只要略略偏离指令的位置便能够发挥最大的扭力，所以它能够提供较大的扭力以及更为精确位置。
（6）光电传感模块
光敏三极管具有灵敏度更高、高频性好、可靠性高、体积更小，使用方便等优点，电流灵敏度高，噪声低。最主要的是光敏三极管的形状比较容易收集电光源的光线，减少室内环境的光线对电光源光线的干扰。
（7）信号放大模块
芯片的选择：主要选用TI公司推出的芯片。
第一处，由于上下方向的变化范围小，所以需要放大信号以提高信号之间的差别，从而提高灵敏度。，两个INA270。因为一个轴上需要两个光敏三极管排除共模量，所以，要用两个参数相同的芯片放大信号。其支持更广泛的共模输入范围，要实现上述功能只需通过 +2.7V 至 +18V 的单电源电压供电即可。INA270还实现了较高的精度（整个温度范围内的最大误差为 3%）、较高的带宽(130kHz)、较低的静态电流（最大 900uA），而且能在 -40C 至 +125C 的温度范围内正常工作。INA270 的增益为 14。
第二处，由于显示LED电流的数字表头需要10V的供电电压，而电源没有提供能够该电压，所以用够芯片放大原有电源的电压，以满足需求。TLC083是具有关断状态的双路宽带高输出驱动单电源运算放大器，是十分精密的芯片，可以充分利用，给数字电流表提供精确稳定的电压。
1.1.2系统各模块的最终方案
系统的基本框图如1.1.2所示
1.1.2系统的基本框图
二．系统的硬件设计与实现
2.1系统硬件的基本组成部分
本实验要求用激光笔对LED点光源进行检测追踪，需要使精度达到一定程度。基于以上分析，我们进行了以下设计。
2.2主要单元电路的设计
（1）电源模块
采用220V市电供电，经变压器变压，整流滤波后接78,79系列稳压芯片在进行滤波后得到稳定的正负电源。再接LM317，LM337三端可调式集成稳压器后得到可调正负电压输出。
原理图如2.2.1。
2.2.1电源模块原理图
（2）LED驱动模块
通过LM317做恒流源供给1W LED灯电流，调节电位器使电流可以再150mA到350mA之间变化，并用电流表显示电流
原理图如2.2.2。并且在开关与LED等之间接入数字电流表的表头，以显示电流。
2.2.2 LED驱动原理图
（3）光电传感模块与信号放大模块
光电传感模块与信号放大第一部分模块见图2.2.3。
Uo输出分别接至A/D采样输入端口P6.0，P6.1，P6.2，P6.3
2.2.3.1 光电传感模块与信号放大第一部分
信号放大第二部分为数字电流表头提供10V电压，既用TLC083的一个运放组成发达两倍的同相比例运放，将5V恒压源放大为10V。
三．系统程序设计
对于本系统，软件设计是核心部分。是实现预期功能的关键。
3.1 跟踪系统流程图
图4.1：点光源跟踪系统流程图
3.2 软件设置
MSP430F4260上电后软件需关看门狗，每个P 口使用时需设置它的输入输出方向，本系统采用的是MSP430F4260 的内部16 位AD，AD1输入通道为P6.0，P6.1 设为第二功能口，AD2输入通道为P6.2，P6.3 设为第二功能口。使用内部1.2V的参考源。同时利用了MSP430的P口P1.2和P 1.3来输出电机的驱动信号。
3.3 模拟设计软件
使用的开发软件是TI 公司的IAR 仿真软件，它是一种用于开发应用不同的目标处理器的灵活的集成环境，提供了一个方便的窗口界面用于迅速的开发和调试，可以使用C、C++、汇编等多种语言开发。
在软件设计过程中，为了使电机的控制更加灵活和平稳，电机带动光敏三极管时接受光强变化时产生电压的大小与误差采用了简单的PID算法来控制，即电机每移动一下，就测量一下当前光强，并与设定的光强相比较，如果超过了就改变移动的方向，如果还没有到达就继续移动，直到达到设定的光强为止。
3.4编程注意事项
在软件编程时应注意的几点事项：
1）所有子程序用到的端口，全部用宏定义在程序顶部说明以便日后方便全
局调用。
2）关键数据尽量定义为全局变量，因为实践发现，在非全局变量情况下，
进行某些复杂运算时，数据可能发生突变，影响结果。
3）设置合适的入口出口参量，以增加程序的重复使用性。
4）尽量把工作模式完善，以应对不同情况对工作模式的需求。
在整个培训过程和比赛中，作为大二的学生，我们对MSP430F4260从一无所知到基本运用熟练。最后编写的系统程序也达到了期望，我觉得， “知之者不如好之者，好者不如乐之者”，要想编好程序，对其要有兴趣。只要肯去认真研究，刻苦钻研，就一定会有收获。
主要程序
/*.......函数声明........*/
void start_ad(void);
void start_pwm(unsigned int pwm_zhouqi,unsigned int zkb_1,unsigned int zkb_2);
void add_pwm(void);
void delay(int m);
void delay_100us(void);
void Check_Key(void);
void nszz(void);
void sszz(void);
void compare_follow(void);
void compare_follow1(void);
函数名称：void compare_follow(void)
功 能：比较追踪水平
函数名称：void compare_follow1(void)
功 能：比较追踪上下
函数名称：Check_Key
功 能：扫描键盘的IO端口，获得键值
四.作品性能测试与分析
4.1所用仪器和测量工具
DF1731SC2A稳压电源，DT9802数字型万用表，数字示波器LDS20610，RT3-5135A支架， 1W白光LED。
4.2.调试方法和过程
（1）LED电流检测
测试方法：将数字式直流电流表接LED灯与LED驱动相连,显示LED电流，旋转滑动变阻器，调节LED驱动电源模块，用万用表测量其输出电压，记录电压峰峰值和LED电流值。列表如下：
表1 电流表显示LED电流与LED驱动输出电压
|
LED电流（A） |
电压值（V） |
|
0.31 |
3.40 |
|
0.24 |
3.32 |
|
0.21 |
3.27 |
|
0.18 |
3.22 |
|
0.16 |
3.17 |
可见，LED电流可以在150～350mA的范围内调节。随着LED驱动电源模块输出电压的减小而减小，但没有线性关系。
（2）脉冲宽度调制检测
测试方法：将示波器连接单片机的P1.2和P1.3，观察与测量MSP430输出的电机驱动信号。检测其占空比与周期。
|
占空比% |
0.65 |
0.98 |
1.20 |
1.79 |
|
频率HZ |
49.99998 |
49.99998 |
49.99998 |
49.99998 |
（3）现场设置参数检测
测试方法：将1W白光LED固定在支架上。光源中心线与支架间的夹角约为60º，光源距地面高约1米，经试验，上电后，激光笔可迅速指向光源。将激光笔光点调偏离点光源中心30cm时，激光笔能够在3到4秒指向点光源。不是特别的迅速，但还是保证了一定的准确度。在激光笔基本对准光源时，按基本要求第三条，将光源支架沿着圆周缓慢平稳移动20º，激光笔能够连续跟踪，但指向点光源不够精确。有几厘米的偏差。当激光笔基本对准光源时，将光源支架沿着直线平稳缓慢移动60cm，激光笔能够连续跟踪指向光源。并且在缓慢移动的情况下偏差很小。改变点光源的亮度时（LED驱动电流变化±50mA），该项功能仍能较好的完成，发挥部分1和3能够实现。
4.3误差分析
（1）电机传动的机械部分精度不高，影响电机定位。
（2）光敏管灵敏度有待提高。
（3）周围环境光的影响，使光敏管不能准确指向光源。
（4）电流较大，温度升高快，电阻阻值变化大。
4.4总结
该系统设计利用单片机处理探测信号，结合电机和LED控制，能实现对点光源的追踪，移动范围可达-20°~ +20°，完成了所有的基本要求和部分扩展要求。设计过程中我们碰到的最大的问题是硬件部分，最终在仔细的调试过程中发现了问题，并加以解决。本次设计大量外围器件采用了TI 芯片，达到了理想的效果。在很多的地方，仍然有改进的余地，在有时间的情况下通过对单片机程序的改进和完善，可以提高追踪的速度和精度。
五．参考文献
【1】刘京南 模拟电子技术基础. 电子工业出版社，2003.
【2】James A .Rehg 工业电子技术 科学出版社，2007.
【3】于海生 计算机控制技术 机械工业出版社，2007.
【4】许建国 电机与拖动基础 高等教育出版社，2005.
六．附录
所用核心器件
MSP430F4260
INA270两个
TLC083
