点光源跟踪报告
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本方案中,P1口作为AD转换入口, P1^0, P1^1 ,P1^2分别作为左,右以及中间的光敏三极管的输出,用于将输出地模拟量转换为数字量供单片机识别判断. P2^0作为控制舵机的PWM输出,控制舵机转角,进行精确定位.
3.2编程思想
本设计思想:采用三个光敏三极管采集光强,左右两个用于判断光源的位置是在左还是右,中间的用于精确定位点光源.
方案二：采用大功率三极管TIP31C做大功率LED灯的驱动。大功率三极管TIP31C能通过最大电流为3A，完全能够合乎题目的要求。设计时，利用三极管基极电流与发射极电流的倍数关系，设计出一个电流连续可调的恒流源。实验后发现效果比较明显，易于控制。
由于三极管主要就是通过电流的关系而工作的，其电流特性比较稳定，且易于控制，所以本系统选择了方案二。
图2-1光源检测模块1
由运放的特性知:V2=V3，Ir2=0，由反馈特性知：V2=V1=V4* ;
取R3=1K,R4=9.1K;可得Av=10；再加一级电压跟随器可增加电路带负载能力。
2.2高亮度LED灯驱动电路
本方案要求LED灯的电流能够连续可调，所以采用大功率三极管TIP31C来驱动它，利用三极管集电极电流与基极电流的倍数关系来驱动1Wled灯并实现其连续可调的功能。测试时发现其电流受基极的电位计控制，所以能够实现其连续可调，且效果较好。其详细电路图如下图2-3
七．参考文献
[1]康华光.模拟电子技术基础(第五版).高等教育出版社.2006
[2]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.电子工业出版社.2007
[3]郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社.2008
6.7%
20度
是
0.5度
2.5%
30度
是
1．5度
5%
(2).将激光管调整至偏离点光源中心30cm，激光管都能迅速指向电光源。其移动时间如下表2
表2
位置
移动时间
速度
左30cm
10s
3cm/s
右30cm
12s
ห้องสมุดไป่ตู้2.5cm/s
(3).将激光笔对准光源时，以A为圆心，将光源沿圆周缓慢平稳移动20度，其实际测量参数见下表3
表3
移动时间
是否连续跟踪
偏差
精确度
5s
是
1度
5%
8s
是
0.8度
4%
10s
是
0.8度
4%
六．总结
本方案采用了由光源发射，光源信号采集，主控模块三大部分组成。由于所用的传感器的性能完全能够满足要求，整套方案的设计又比较合理，所以我们完成了基本部分的设计。并且发挥部分关于检测系统的自适应性问题上，也能够达到题目的要求。
但是由于环境的影响,以及三极管放大倍数,位置不同造成误差,会使左右两个三极管在同光强情况下输出的光强不相同.为了解决此问题,可以认为在左右相差不大的情况下,左右光强相等.
最重要的是,只有在中间三极管检测到光强变化之后才是舵机转微小角度,这样一来,即使左右三极管检测光强不一样,也不会影响舵机的定位,从而实现点光源跟踪.
由于本次设计要求能够实时读取三路光敏三极管所感受到的模拟量的大小，所以要求能够有完成A/D转换功能的单片机，固我们选择了方案二。
二．主要硬件电路及说明
2.1传感器应用电路
本方案采用光敏三极管来实时对光信号的采集。由于光敏三极管直接出来的信号只有几百毫伏，所以必须加一级直流放大。通过测试我们发现用LM358放大直流信号时效果比较好，所以就用它来放大10倍。这样可以进一步提高它的灵敏度。然后将其送至A/D转换芯片进行处理。其详细电路图如下图2-2：
1.2光源检测模块
方案一：采用光敏二极管对高亮度LED灯位置的检测。光敏二极管内部包含一个具有光敏特性的PN结，加上反相电压后，其饱和反向漏电流随照射光强的大小而不断变化。但实验发现，其变化范围过小，灵敏度低。
方案二：采用光敏三极管对高亮度LED灯位置的检测。光敏三极管工作原理与光敏二极管相似。它的基极与发射极之间的二极管与光敏二极管相同，但是从集电极所引出的电流大小是二极管电流的倍数关系，相当于将电流放大了。所以与光敏二极管相比，它的灵敏度更高了。
图2-3 1W LED灯驱动模块1
三．软件模块及其说明
3.1单片机说明
STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍.内部集成MAX810专用复位电路,新增2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S).
光敏二极管与光敏三极管均是能将光信号转化成电信号。但由于光敏三极管除了能实现光敏二极管的功能外，还可以有较大的光电流放大的作用，固其灵敏度明显高于光敏二极管。所以本次设计选择光敏三极管。
1.3电机模块方案
方案一：采用步进电机对激光发射管的转向的控制。步进电机是利用脉冲个数来控制其转速的，每给一个脉冲它就可以步进一个单位。.但是通过实验发现该三相步进电机最小旋转角度为7.5度。步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。
方案二：采用舵机对激光发射管的转向进行控制。舵机是专业用来打角度的，用一定频率适当的脉宽信号来驱动它进行精确的打角，试验后发现它的灵敏度非常高，且控制简单。
由于本系统要实时的对点光源进行跟踪，要求所能打的最小角度越小越好，而步进电机由于最小角度为7.5度，完全不能满足本方案的要求，所以本次设计选择了方案二，利用舵机来精确控制激光发射管打角。
关键字：光敏三极管、舵机、STC12C5A60S2
一．方案的比较与论证
依据本题目的要求，我们设计了如下模块并做了一些测试与比较：
1.1高亮度LED驱动模块
方案一：用LM317做LED驱动模块。LM317是三端可调正稳压器集成电路，它的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。由LM317构成的驱动电路简单，但功耗较大，而且要注意散热问题。
1.4主控芯片模块
方案一：采用常用的STC89C52单片机。该单片机具有4路I/O口，3个定时器，2个外部中断，是一种最基础的单片机，但只能实现一些基本的功能。优点是我们对于该单片机的基本功能的掌握已经成熟了，能用它完成一些基本的功能。
方案二：采用STC公司的STC12C5A60S2单片机。该单片机在STC89C52的基础上，又增加了很多常用的功能。比如说增加了一路I/O口，增加了一路A/D转换功能。
电光源跟踪系统
摘要
本次设计系统主要由光源发射模块、光信号采集模块以及以单片机为主体的控制模块。三路光敏三极管采集光源信号，一个舵机精确控制激光灯指向的位置，STC公司的12C5A60S2单片机作为主控芯片来构成系统框架。随着光源位置的移动，三路光敏三极管会对光源位置进行实时检测，然后将该信号送至主控芯片STC12C5A60S2进行处理。主控芯片分析这三路信号后，就会发出对舵机的控制信号，从而指向高亮度LED光源，达到本题要求的条件。
四．系统流程图
五．测试数据与结果分析
根据题目要求，测试时做了如下工作：
(1).通过现场设置参数，让激光笔能迅速指向点光源。测试时先以激光笔为圆心，173cm为半径移动电光源，看点光源能否迅速准确指向电光源。预设的角度与实际指向的偏差如下表1
预设角度
是否指向光源
偏差
精确度
10度
是
0.5度
5%
15度
是
1度
3.2编程思想
本设计思想:采用三个光敏三极管采集光强,左右两个用于判断光源的位置是在左还是右,中间的用于精确定位点光源.
方案二：采用大功率三极管TIP31C做大功率LED灯的驱动。大功率三极管TIP31C能通过最大电流为3A，完全能够合乎题目的要求。设计时，利用三极管基极电流与发射极电流的倍数关系，设计出一个电流连续可调的恒流源。实验后发现效果比较明显，易于控制。
由于三极管主要就是通过电流的关系而工作的，其电流特性比较稳定，且易于控制，所以本系统选择了方案二。
图2-1光源检测模块1
由运放的特性知:V2=V3，Ir2=0，由反馈特性知：V2=V1=V4* ;
取R3=1K,R4=9.1K;可得Av=10；再加一级电压跟随器可增加电路带负载能力。
2.2高亮度LED灯驱动电路
本方案要求LED灯的电流能够连续可调，所以采用大功率三极管TIP31C来驱动它，利用三极管集电极电流与基极电流的倍数关系来驱动1Wled灯并实现其连续可调的功能。测试时发现其电流受基极的电位计控制，所以能够实现其连续可调，且效果较好。其详细电路图如下图2-3
七．参考文献
[1]康华光.模拟电子技术基础(第五版).高等教育出版社.2006
[2]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.电子工业出版社.2007
[3]郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社.2008
6.7%
20度
是
0.5度
2.5%
30度
是
1．5度
5%
(2).将激光管调整至偏离点光源中心30cm，激光管都能迅速指向电光源。其移动时间如下表2
表2
位置
移动时间
速度
左30cm
10s
3cm/s
右30cm
12s
ห้องสมุดไป่ตู้2.5cm/s
(3).将激光笔对准光源时，以A为圆心，将光源沿圆周缓慢平稳移动20度，其实际测量参数见下表3
表3
移动时间
是否连续跟踪
偏差
精确度
5s
是
1度
5%
8s
是
0.8度
4%
10s
是
0.8度
4%
六．总结
本方案采用了由光源发射，光源信号采集，主控模块三大部分组成。由于所用的传感器的性能完全能够满足要求，整套方案的设计又比较合理，所以我们完成了基本部分的设计。并且发挥部分关于检测系统的自适应性问题上，也能够达到题目的要求。
但是由于环境的影响,以及三极管放大倍数,位置不同造成误差,会使左右两个三极管在同光强情况下输出的光强不相同.为了解决此问题,可以认为在左右相差不大的情况下,左右光强相等.
最重要的是,只有在中间三极管检测到光强变化之后才是舵机转微小角度,这样一来,即使左右三极管检测光强不一样,也不会影响舵机的定位,从而实现点光源跟踪.
由于本次设计要求能够实时读取三路光敏三极管所感受到的模拟量的大小，所以要求能够有完成A/D转换功能的单片机，固我们选择了方案二。
二．主要硬件电路及说明
2.1传感器应用电路
本方案采用光敏三极管来实时对光信号的采集。由于光敏三极管直接出来的信号只有几百毫伏，所以必须加一级直流放大。通过测试我们发现用LM358放大直流信号时效果比较好，所以就用它来放大10倍。这样可以进一步提高它的灵敏度。然后将其送至A/D转换芯片进行处理。其详细电路图如下图2-2：
1.2光源检测模块
方案一：采用光敏二极管对高亮度LED灯位置的检测。光敏二极管内部包含一个具有光敏特性的PN结，加上反相电压后，其饱和反向漏电流随照射光强的大小而不断变化。但实验发现，其变化范围过小，灵敏度低。
方案二：采用光敏三极管对高亮度LED灯位置的检测。光敏三极管工作原理与光敏二极管相似。它的基极与发射极之间的二极管与光敏二极管相同，但是从集电极所引出的电流大小是二极管电流的倍数关系，相当于将电流放大了。所以与光敏二极管相比，它的灵敏度更高了。
图2-3 1W LED灯驱动模块1
三．软件模块及其说明
3.1单片机说明
STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍.内部集成MAX810专用复位电路,新增2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S).
光敏二极管与光敏三极管均是能将光信号转化成电信号。但由于光敏三极管除了能实现光敏二极管的功能外，还可以有较大的光电流放大的作用，固其灵敏度明显高于光敏二极管。所以本次设计选择光敏三极管。
1.3电机模块方案
方案一：采用步进电机对激光发射管的转向的控制。步进电机是利用脉冲个数来控制其转速的，每给一个脉冲它就可以步进一个单位。.但是通过实验发现该三相步进电机最小旋转角度为7.5度。步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。
方案二：采用舵机对激光发射管的转向进行控制。舵机是专业用来打角度的，用一定频率适当的脉宽信号来驱动它进行精确的打角，试验后发现它的灵敏度非常高，且控制简单。
由于本系统要实时的对点光源进行跟踪，要求所能打的最小角度越小越好，而步进电机由于最小角度为7.5度，完全不能满足本方案的要求，所以本次设计选择了方案二，利用舵机来精确控制激光发射管打角。
关键字：光敏三极管、舵机、STC12C5A60S2
一．方案的比较与论证
依据本题目的要求，我们设计了如下模块并做了一些测试与比较：
1.1高亮度LED驱动模块
方案一：用LM317做LED驱动模块。LM317是三端可调正稳压器集成电路，它的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。由LM317构成的驱动电路简单，但功耗较大，而且要注意散热问题。
1.4主控芯片模块
方案一：采用常用的STC89C52单片机。该单片机具有4路I/O口，3个定时器，2个外部中断，是一种最基础的单片机，但只能实现一些基本的功能。优点是我们对于该单片机的基本功能的掌握已经成熟了，能用它完成一些基本的功能。
方案二：采用STC公司的STC12C5A60S2单片机。该单片机在STC89C52的基础上，又增加了很多常用的功能。比如说增加了一路I/O口，增加了一路A/D转换功能。
电光源跟踪系统
摘要
本次设计系统主要由光源发射模块、光信号采集模块以及以单片机为主体的控制模块。三路光敏三极管采集光源信号，一个舵机精确控制激光灯指向的位置，STC公司的12C5A60S2单片机作为主控芯片来构成系统框架。随着光源位置的移动，三路光敏三极管会对光源位置进行实时检测，然后将该信号送至主控芯片STC12C5A60S2进行处理。主控芯片分析这三路信号后，就会发出对舵机的控制信号，从而指向高亮度LED光源，达到本题要求的条件。
四．系统流程图
五．测试数据与结果分析
根据题目要求，测试时做了如下工作：
(1).通过现场设置参数，让激光笔能迅速指向点光源。测试时先以激光笔为圆心，173cm为半径移动电光源，看点光源能否迅速准确指向电光源。预设的角度与实际指向的偏差如下表1
预设角度
是否指向光源
偏差
精确度
10度
是
0.5度
5%
15度
是
1度