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[摘要] 本系统采用MSP430F2274作为控制核心，通过键盘修改参数，全面实现了题目中的基本要求和发挥部分要求。建立二维坐标，使用两个舵机分别控制随动系统垂直方向和水平方向，使得激光笔能够更加快速准确的指向光源，尤其是当光源沿直线运动时。当光源移动30cm时，随动系统能够快速自动找到光源。
[关键词] MSP430 随动系统 实时跟踪 伺服电机
一、方案比较与论证
本设计要求实现随动系统能够定点找到光源，随动追踪光源，光源沿弧线和直线运动时均能够找到光源等。
根据题目要求，本系统由单片机、LED光源、捕获光强、放大电路、舵机等五个模块构成，各模块经过多个方案的比较与论证，最终提出了使系统最优化的整个系统方案。系统总体框图如图B-1所示。
1、捕获光强系统模块
捕获光强系统模块主要由光敏三极管、激光笔组成。
方案一：一维随动系统，采用一个光敏三极管和一个激光笔的方式。如图B-2所示。
G为光敏三极管
J为激光笔
光敏三极管G位于激光笔J的上方，两者在垂直方向处于同一直线上，以光敏三极管为中心可水平转动。初始调整位置时，光敏三极管的轴线与激光笔的轴线要相交于光源B。光敏三极管接收来自光源B的光照，如图B-3。
首先找到让光敏三极管扫描一次，得到最大电压值Um，从而找到最大的光强位置，即光源。当光源发生移动时，光敏三极管接收到的光强减小，此时控制随动系统跟踪光源的运动方向进行移动。
此方案电路简单，容易调整三极管和激光笔的初始位置。但是光源沿直线运动时，光敏三极管和激光头的轴线不可能交与一点，导致跟踪光源时出现偏差。由于随动系统只能水平转动不能垂直转动，导致当光源沿直线LM移动时，激光笔不能准确的指向光源，存在固有误差
图B-3三极管接受光源示意图
方案二：二维随动系统。采用四个光敏三极管成十字形排列，一个激光笔位于十字中心。如图B-4所示。
图B-4方案二
其中采用一个伺服电机控制L和R两个光敏三极管三极管用于沿水平方向捕获光强，另一个伺服电机控制S和X用于沿垂直方向捕获光强，最终寻找的光源位置为水平扫描和垂直扫描的交点。调整初始位置时，四个光敏三极管和激光笔的轴线应相交于光源点。以水平扫描为例说明其工作原理，如图B-5所示。
图B-5随动系统工作原理图
首先找出四个光敏三极管的电压，从而找出光源的初始位置。当光源向左移动时，则光敏管L得到的电压大于R，控制随动系统向左转动，直到光敏管L和R得到的电压差值在允许的范围内。
此方案采用两个伺服电机，分别控制水平方向和垂直方向的转动，使得随动系统能够在二维的空间内跟踪光源， 光源沿圆弧和直线运动均能准确的找到光源的位置。但是缺点是初始调整四个光敏三极管和激光笔的位置时，要求激光管要对准光源位置，此时增加了调整的难度。
经过反复比较，本系统采用方案二。
2、电机模块
电机是系统实现功能的主要载体，通过它的控制它的转动，寻找光源。
方案一：采用步进电机。其旋转度数可直接通过其步进数来控制，步距角一般为3.6°、1.8°，步进电机为开环系统，停止时速度过大容易出现过冲现象，步进电机从静止加速到工作转速，一般需要200~300毫秒的时间，且步进电机速度较慢，不适宜用于快速启动和停止的系统。
方案二：采用直流伺服电机。其旋转通过单片机产生的PWM信号控制，改变PWM的占空比即可改变伺服电机的位置和转速。直流伺服电机的精度是普通步进电机的几百分之一，控制精度高利于实现跟踪功能。其为闭环系统，内部构成位置环和速度环，不会出现过冲现象。伺服电机从静止加速到预定速度仅需几毫秒的时间，可用于要求快速启停的系统。
经过比较后，本系统采用方案二。
3、LED光源模块（略）
4、放大电路模块（略）
二、理论分析与计算
1、捕获光强系统的影响因素确定
以光源沿弧线运动时为例说明，如图B-6。
图B-6 光源沿圆弧运动示意图
图中L为左侧光敏三极管，R为右侧三极管，J为激光头。
光强度I=立体角内之光通量/立体角
而光敏三极管L和R所接收到的光强度与其光路长度和入射角成正比。
由图可知，由光路长度引起的光程差为R2-R1,R12m入射角，，以光敏三极管的轴向为中心，在光敏三极管的立体角内的变化主要有入射角引起，即引起的光强度的变化远远大于由光程差引起的光强度的变化。因此主要考虑入射角的影响。
2、二维系统选定
光源沿直线运动时，示意图如图B-8所示。
图B-8光源直线运动示意图
由其光路图形可知，
因此当光源沿直线LM运动时，要使其准确的打到光源上，应该使得随动系统的仰角变大，使其上移。
以题中要求的移动距离为60cm时，如果不使其上移，则打到的点将在光源下方约36cm处，大于30cm，激光点将可能打不到暗光板上。
为了能够在光源沿直线运动时也能够准确追踪，本系统选用了二维随动系统，采用两个伺服电机，既能左右平动，也能上下移动。
三、硬件系统的设计与实现
1、LED光源模块
LED光源通过直流稳压源供电，如图B-9。
图B-9 LED光源模块电路
根据题目要求，LED光源的驱动电流可调，因此调节匹配电阻使得LED光源的驱动电流为200~350mA。
供给5V直流电压
基极电流,
采用达林顿管，
电阻的电压为
又集电极电流即流过LED灯的电流
为了便于测量驱动LED灯的电流，选取，
的范围为
的范围为
的范围为
求得、、匹配电阻应满足
因此选取，，。
2、捕获光强系统模块
本系统采用光敏三极管接收光源的光强，从而将光强信号转化成电压，将信号进行滤波放大后，由单片机进行AD采集转换。为了减少日光灯和白天光照的影响，本系统在电路中加入了去耦电容，如图B-10。
图B-10 捕获光强系统
光敏三极管是非线性器件。调节集电极电阻R1使其工作在放大区。
四、软件系统的设计与实现
系统通过按键选择各种不同模式，实现各个模式的功能，包括手动按键调整位置，定点追踪光源，随动跟踪光源。系统总体流程图如图B-11所示。
1、手动调整参数
通过按键来控制随动系统参数的调整，使其能够上下左右移动，从而达到手动调整参数的要求。键盘输入采用中断触发的方式。
2、定点寻找光源与实时跟踪光源
系统采用PID算法，实现了定点寻找光源和实时跟踪光源的功能，通过实验与理论计算相结合，不断的修正PID算法中的三个参数，比例系数Ｋp，积分控制Ｔｉ，微分控制Ｔｄ，减小系统的稳态误差，提高了系统的稳定性。
图B-11 系统总体流程图
通过测试得知，当光源移动相对于伺服电机偏左时，左边三极管的电压值大于右边三极管，此时随动系统应该向左移动，同理，光源相对于伺服电机偏右时，右边三极管的电压值大于左边，此时随动系统应向右移动。判断出 移动方向之后，即采用增量式PID算法， 不断的逼近设定值，从而使得随动系统能够快速稳定的跟踪光源。
在判断水平移动的程序中加入定时扫描垂直移动的中断服务程序，以调整水平方向的位置为主。
水平移动的流程图如图B-12所示。
图B-12水平移动流程图
垂直移动方向的流程图如图B-13所示。
图B-14 垂直移动流程图
五、系统测试
1、手动调整参数与光源偏离的距离
由测得值可看出，按键手动追踪光源时，测量的平均误差为0.05cm。
2、定点追踪与光源偏离距离
定点追踪时，测量的平均误差为0.76cm。
3、光源支架旋转角度测量
当光源旋转角度越大时，距离光源越远。
4、实时跟踪系统的稳态误差
（1）光源沿弧线运动
（2）光源沿直线运动
六、系统误差分析
1、外界光源干扰，尤其是正对较强光源时，本系统采用直流稳压源供电，经过测量观察得，外界光源为几千到几百千赫兹，直流稳压源内部也存在干扰，其频率也为几千到几百千赫兹。因此加入一个1K赫兹的低通滤波器，将干扰高频滤除，滤除之后再用示波器观察时，其输出的电压信号近似为一条直线，频率小于100赫兹。此时已经减小了部分外界干扰，但可仍有干扰存在，使得测量时，会突然出现较大的误差。
2、人为因素引起的干扰。在设定初始位置时，由于人为因素，存在误差，引起初始值有所误差，从而导致找点时存在误差。我们通过多次测量，找到一个最佳的初始值，尽量减小了该误差，但无法完全消除。
3、硬件电路会造成一定的误差，难以达到理论要求，本系统中对于硬件电路的布局要求很高，布局时要使得四个光敏三极管成十字形，激光源要位于是十字中心， 且激光笔要水平伺服电机和垂直伺服电机的轴线上。因此在布局时容易引起误差。
总结
本系统中包含了三类TI器件，MSP430F2274单片机作为系统的控制中心，INA2232降低光源的共模抑制比，并且将LED灯的电流进行放大，更利于单片机进行AD采集，TSP76033电压转换芯片，将5V电压转为3.3V供给单片机。
本系统全面实现了题目中基本要求和发挥部分，并且增加了创新功能。当光源突然反方向移动时，随动系统仍然能进行实时跟踪，并且达到了稳态误差约为5cm左右。
参考文献：
[1]沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践.北京航空航天大学出版社，2008.7，152-186.
[2]李琦.单片机实验指导书.河海大学出版社，2007.10，21-22.
[3]张晞,王德银,张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计.人民邮电出版社,2005.9：87-96.
[关键词] MSP430 随动系统 实时跟踪 伺服电机
一、方案比较与论证
本设计要求实现随动系统能够定点找到光源，随动追踪光源，光源沿弧线和直线运动时均能够找到光源等。
根据题目要求，本系统由单片机、LED光源、捕获光强、放大电路、舵机等五个模块构成，各模块经过多个方案的比较与论证，最终提出了使系统最优化的整个系统方案。系统总体框图如图B-1所示。
1、捕获光强系统模块
捕获光强系统模块主要由光敏三极管、激光笔组成。
方案一：一维随动系统，采用一个光敏三极管和一个激光笔的方式。如图B-2所示。
G为光敏三极管
J为激光笔
光敏三极管G位于激光笔J的上方，两者在垂直方向处于同一直线上，以光敏三极管为中心可水平转动。初始调整位置时，光敏三极管的轴线与激光笔的轴线要相交于光源B。光敏三极管接收来自光源B的光照，如图B-3。
首先找到让光敏三极管扫描一次，得到最大电压值Um，从而找到最大的光强位置，即光源。当光源发生移动时，光敏三极管接收到的光强减小，此时控制随动系统跟踪光源的运动方向进行移动。
此方案电路简单，容易调整三极管和激光笔的初始位置。但是光源沿直线运动时，光敏三极管和激光头的轴线不可能交与一点，导致跟踪光源时出现偏差。由于随动系统只能水平转动不能垂直转动，导致当光源沿直线LM移动时，激光笔不能准确的指向光源，存在固有误差
图B-3三极管接受光源示意图
方案二：二维随动系统。采用四个光敏三极管成十字形排列，一个激光笔位于十字中心。如图B-4所示。
图B-4方案二
其中采用一个伺服电机控制L和R两个光敏三极管三极管用于沿水平方向捕获光强，另一个伺服电机控制S和X用于沿垂直方向捕获光强，最终寻找的光源位置为水平扫描和垂直扫描的交点。调整初始位置时，四个光敏三极管和激光笔的轴线应相交于光源点。以水平扫描为例说明其工作原理，如图B-5所示。
图B-5随动系统工作原理图
首先找出四个光敏三极管的电压，从而找出光源的初始位置。当光源向左移动时，则光敏管L得到的电压大于R，控制随动系统向左转动，直到光敏管L和R得到的电压差值在允许的范围内。
此方案采用两个伺服电机，分别控制水平方向和垂直方向的转动，使得随动系统能够在二维的空间内跟踪光源， 光源沿圆弧和直线运动均能准确的找到光源的位置。但是缺点是初始调整四个光敏三极管和激光笔的位置时，要求激光管要对准光源位置，此时增加了调整的难度。
经过反复比较，本系统采用方案二。
2、电机模块
电机是系统实现功能的主要载体，通过它的控制它的转动，寻找光源。
方案一：采用步进电机。其旋转度数可直接通过其步进数来控制，步距角一般为3.6°、1.8°，步进电机为开环系统，停止时速度过大容易出现过冲现象，步进电机从静止加速到工作转速，一般需要200~300毫秒的时间，且步进电机速度较慢，不适宜用于快速启动和停止的系统。
方案二：采用直流伺服电机。其旋转通过单片机产生的PWM信号控制，改变PWM的占空比即可改变伺服电机的位置和转速。直流伺服电机的精度是普通步进电机的几百分之一，控制精度高利于实现跟踪功能。其为闭环系统，内部构成位置环和速度环，不会出现过冲现象。伺服电机从静止加速到预定速度仅需几毫秒的时间，可用于要求快速启停的系统。
经过比较后，本系统采用方案二。
3、LED光源模块（略）
4、放大电路模块（略）
二、理论分析与计算
1、捕获光强系统的影响因素确定
以光源沿弧线运动时为例说明，如图B-6。
图B-6 光源沿圆弧运动示意图
图中L为左侧光敏三极管，R为右侧三极管，J为激光头。
光强度I=立体角内之光通量/立体角
而光敏三极管L和R所接收到的光强度与其光路长度和入射角成正比。
由图可知，由光路长度引起的光程差为R2-R1,R12m入射角，，以光敏三极管的轴向为中心，在光敏三极管的立体角内的变化主要有入射角引起，即引起的光强度的变化远远大于由光程差引起的光强度的变化。因此主要考虑入射角的影响。
2、二维系统选定
光源沿直线运动时，示意图如图B-8所示。
图B-8光源直线运动示意图
由其光路图形可知，
因此当光源沿直线LM运动时，要使其准确的打到光源上，应该使得随动系统的仰角变大，使其上移。
以题中要求的移动距离为60cm时，如果不使其上移，则打到的点将在光源下方约36cm处，大于30cm，激光点将可能打不到暗光板上。
为了能够在光源沿直线运动时也能够准确追踪，本系统选用了二维随动系统，采用两个伺服电机，既能左右平动，也能上下移动。
三、硬件系统的设计与实现
1、LED光源模块
LED光源通过直流稳压源供电，如图B-9。
图B-9 LED光源模块电路
根据题目要求，LED光源的驱动电流可调，因此调节匹配电阻使得LED光源的驱动电流为200~350mA。
供给5V直流电压
基极电流,
采用达林顿管，
电阻的电压为
又集电极电流即流过LED灯的电流
为了便于测量驱动LED灯的电流，选取，
的范围为
的范围为
的范围为
求得、、匹配电阻应满足
因此选取，，。
2、捕获光强系统模块
本系统采用光敏三极管接收光源的光强，从而将光强信号转化成电压，将信号进行滤波放大后，由单片机进行AD采集转换。为了减少日光灯和白天光照的影响，本系统在电路中加入了去耦电容，如图B-10。
图B-10 捕获光强系统
光敏三极管是非线性器件。调节集电极电阻R1使其工作在放大区。
四、软件系统的设计与实现
系统通过按键选择各种不同模式，实现各个模式的功能，包括手动按键调整位置，定点追踪光源，随动跟踪光源。系统总体流程图如图B-11所示。
1、手动调整参数
通过按键来控制随动系统参数的调整，使其能够上下左右移动，从而达到手动调整参数的要求。键盘输入采用中断触发的方式。
2、定点寻找光源与实时跟踪光源
系统采用PID算法，实现了定点寻找光源和实时跟踪光源的功能，通过实验与理论计算相结合，不断的修正PID算法中的三个参数，比例系数Ｋp，积分控制Ｔｉ，微分控制Ｔｄ，减小系统的稳态误差，提高了系统的稳定性。
图B-11 系统总体流程图
通过测试得知，当光源移动相对于伺服电机偏左时，左边三极管的电压值大于右边三极管，此时随动系统应该向左移动，同理，光源相对于伺服电机偏右时，右边三极管的电压值大于左边，此时随动系统应向右移动。判断出 移动方向之后，即采用增量式PID算法， 不断的逼近设定值，从而使得随动系统能够快速稳定的跟踪光源。
在判断水平移动的程序中加入定时扫描垂直移动的中断服务程序，以调整水平方向的位置为主。
水平移动的流程图如图B-12所示。
图B-12水平移动流程图
垂直移动方向的流程图如图B-13所示。
图B-14 垂直移动流程图
五、系统测试
1、手动调整参数与光源偏离的距离
由测得值可看出，按键手动追踪光源时，测量的平均误差为0.05cm。
2、定点追踪与光源偏离距离
定点追踪时，测量的平均误差为0.76cm。
3、光源支架旋转角度测量
当光源旋转角度越大时，距离光源越远。
4、实时跟踪系统的稳态误差
（1）光源沿弧线运动
（2）光源沿直线运动
六、系统误差分析
1、外界光源干扰，尤其是正对较强光源时，本系统采用直流稳压源供电，经过测量观察得，外界光源为几千到几百千赫兹，直流稳压源内部也存在干扰，其频率也为几千到几百千赫兹。因此加入一个1K赫兹的低通滤波器，将干扰高频滤除，滤除之后再用示波器观察时，其输出的电压信号近似为一条直线，频率小于100赫兹。此时已经减小了部分外界干扰，但可仍有干扰存在，使得测量时，会突然出现较大的误差。
2、人为因素引起的干扰。在设定初始位置时，由于人为因素，存在误差，引起初始值有所误差，从而导致找点时存在误差。我们通过多次测量，找到一个最佳的初始值，尽量减小了该误差，但无法完全消除。
3、硬件电路会造成一定的误差，难以达到理论要求，本系统中对于硬件电路的布局要求很高，布局时要使得四个光敏三极管成十字形，激光源要位于是十字中心， 且激光笔要水平伺服电机和垂直伺服电机的轴线上。因此在布局时容易引起误差。
总结
本系统中包含了三类TI器件，MSP430F2274单片机作为系统的控制中心，INA2232降低光源的共模抑制比，并且将LED灯的电流进行放大，更利于单片机进行AD采集，TSP76033电压转换芯片，将5V电压转为3.3V供给单片机。
本系统全面实现了题目中基本要求和发挥部分，并且增加了创新功能。当光源突然反方向移动时，随动系统仍然能进行实时跟踪，并且达到了稳态误差约为5cm左右。
参考文献：
[1]沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践.北京航空航天大学出版社，2008.7，152-186.
[2]李琦.单片机实验指导书.河海大学出版社，2007.10，21-22.
[3]张晞,王德银,张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计.人民邮电出版社,2005.9：87-96.