1.1 系統(tǒng)各模塊方案的選擇與論證
?。?）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,。采用L298驅(qū)動(dòng)芯片組成驅(qū)動(dòng)電路,，可以通過控制中心輸出的高低電平對電動(dòng)機(jī)的方向進(jìn)行控制,，并且可以通過PWM波直接控制電動(dòng)機(jī)的速度,。電路較為簡 ～單,，容易實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力強(qiáng),，性價(jià)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(diǎn)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(gè)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(jì)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(jī)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(jī),、鍵盤輸入及液晶顯示等功能,。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，集成了A／D模塊,，無需擴(kuò)展引腳,，電路設(shè)計(jì)和制作簡單，功耗低,。
外圍電路模塊包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)
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(shí)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(gè)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(jì)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(jì)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(jī)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(yùn)算放大器0PA335,，該運(yùn)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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路
由于采用步進(jìn)減速電機(jī)，電流較大,。
經(jīng)過測量,，在7V電壓供電時(shí)，電機(jī)的電流為1.4A,，在5v供電時(shí),，電流為0.9 A，系統(tǒng)采用7.2 V的干電池供電,，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片需要能夠承受較大的電流,。故采用L298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng),，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(jī)通過識(shí)別不同的電壓信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),。本設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)100K的滑動(dòng)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(jì)
系統(tǒng)軟件主要分為3個(gè)部分：檢測光源,、檢測顯示電流,、步進(jìn)電機(jī)控制。算法設(shè)計(jì)也圍繞這3個(gè)方面展開,。
3.1 控制算法
水平方向用4個(gè)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(dòng)變阻器，接在LM324輸入端,，單片機(jī)通過電平變化來判斷光源的具體位置,。
在沒有檢測到光時(shí)，兩個(gè)比較器都輸出低電平,，當(dāng)有一個(gè)檢測到光時(shí),，與此相連的比較器輸出變?yōu)楦唠娖剑?dāng)兩個(gè)比較器的輸出都為高電平時(shí),，說明此時(shí)光源在兩個(gè)光敏電阻之間,，此時(shí)已檢測到光源的中心，控制電機(jī)停止,。
在光源跟蹤時(shí),，通過判斷水平方向兩個(gè)比較器的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)左邊的比較器輸出為高電平,，右邊輸出低電平時(shí),，說明光源左移，控制步進(jìn)電機(jī)左移,。同理可控制電機(jī)右移,。當(dāng)兩個(gè)比較器輸出都為高電平時(shí)，說明光源在中心,，不用移動(dòng),。當(dāng)兩個(gè)比較器都輸出低電平時(shí)，都沒檢測到光源,，此時(shí)重新掃描,。
由于要實(shí)現(xiàn)激光筆對準(zhǔn)光源時(shí)，將光源支架沿著直線LM平穩(wěn)緩慢（15秒內(nèi)）移動(dòng)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(jī)可將一個(gè)圓周細(xì)分為4096步，每個(gè)脈沖走的距離約為：
每個(gè)脈沖步進(jìn)3.07 mm，可實(shí)現(xiàn)對光源的連續(xù)跟蹤,。要實(shí)現(xiàn)將光源支架沿著直線LM平穩(wěn)緩慢（15秒內(nèi)）移動(dòng)60cm,，激光筆能夠連續(xù)跟蹤指向光源，當(dāng)沿直線移動(dòng)時(shí),，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(shí)現(xiàn)整個(gè)平面內(nèi)跟蹤,。
3.2軟件設(shè)計(jì)流程圖
圖4 單片機(jī)2流程圖
圖5 單片機(jī)1流程圖