点光源追踪系统

2010项目练习
设
计
作
品
作品名称：点光源跟综系统
设计组员：王国凯徐文超蔡露王奇志专业：应用电子技术
指导老师：唐炎明
摘要：本文设计的是一个点光源追踪系统，主要由光照传感器的照度检测与处理，控制器分析与处理，执行机构运行这几个部分构成。

整个系统是以A T89S52为控制核心，通过四个光照传感器来检测光照，依据光照度的变化、大小来判断出点光源的位置与运动趋势，并将点光源运动分解为水平和竖直方向的二维运动，借以来控制水平电机与竖直电机的旋转角度。

当水平方向上的两传感器的测量数值相对接近，同时竖直方向上的两传感器的测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。

除基本要求满足外，本系统设计了一些拓展环节：在点光源正对及电机运动幅度允许的条件下，激光笔可追踪任意方向移动的点光源，也可换速度档，达到迅速调节的目的。

关键字：点光源定位寻迹二维运动分析步进电机控制A T89S52
一．系统方案设计
1.主控芯片
根据本题的要求，整个系统中必须要有一个主控芯片来处理数据和控制操作，主要考虑以下两种方案：
方案一：AT89C51系列单片机。

8位低功耗单片机，性能良好。

方案二：AT89S52系列。

8位处理器内核高性能处理器，具有强大的控制、处理能力，稳定的系统，提供方便高效的开发环境。

本系统选取AT89S52单片机作为控制器，AT89S52支持低功耗模式，性能稳定，在控制、处理数据速度上有优势，，所以选择方案二。

2.传感器的选择
本系统的传感器主要是检测光照度，可考虑的传感器如下列方案：
方案一：光敏电阻。

从光照特性来看，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降，可以反映光照的变化，但该特性大多数情况为非线性，部分光照区间内，特性变化不灵敏。

方案二：光敏三极管。

光敏三极管具有单向导电性，无光照时，有很小的暗电流，当受到光照时，光电流随射光强度的变化而变化。

在测试光敏电阻，发现光源的距离限制了两者的应用范围。

当距离比较大时，两者的灵敏度大大降低。

经实践测定，光敏三级管传感器满足要求，因此传感器选择方案二。

3.电机的选择
电机的主要作用是调整激光笔的位置，指向点光源，可选取的类型如下方案：方案一：步进电机。

在非超载的情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。

每给一次脉冲信号，电机能够转过一个步距角。

方案二：直流电机。

电机的转速受负载影响，惯性大。

根据设计的要求，步进电机转速平稳，容易控制，因而选用第一种方案。

4.点电源的供电方案
根据题目要求：为产生150mA~350mA的LED驱动电流，采用比例电流源。

经测试可行。

5.总方案的确定
综上，本系统最终以A T89S52作为控制器，用光敏三极管做检测元件，通过控制步进电动机来使激光笔指向点光源。

图1 系统方框图
二．理论分析及计算 1．点光源特性分析
根据题目中的要求，可以将点光源的运动分为沿圆周移动和沿其他任意方向移动两种形式。

空间中的任何一点可以用惟一的参量来表示，根据运动轨迹的不同，选择不同的坐标参量，具体如下： a.沿圆周移动点光源
此类运动趋势的点光源设定为第一类点光源。

对于第一类光源，我们采用求取单一变量：水平面的变化量。

b.沿其他任意方向移动的点光源
此类运动趋势的点光源设定为第二类点光源。

对于第二类光源，我们采用先求取水平变化量，再求取垂直变化量。

根据以上分析，可以将追踪点光源的位置问题转化为求解水平变化量和垂直变化量的相关问题。

降低了任务的复杂性，目标明确。

2.传感器布局分析与计算
根据第一、二类点光源的特性及光照亮度来追踪光源的原理，依据简易、精确控制与节约资源的原则，本设计采用四路照度检测通道。

其中，两路检测元件水平排布用于水平面定位，布局相对对称，另两路左右检测元件与激光笔平行，用于竖直定位。

点光源的移动可分解为水平移动和竖直移动。

水平布局的中心传感器应用于精确定光源的水平位置。

水平方向两边的传感器主要用来检测光源的水平位置或水平移动方向，以便及时通知控制器调整指示笔的水平指向。

3.光照强度度分析
根据光敏三极管的物理结构特征：内置敏感元接收器，采用单位面积所接受的光通量来表示。

对相邻面元的光照分析与计算下：
A T89S52
光源检测电路
步进电机控制
步进电机驱动
水平方向的电机 垂直方向的电机
比例电流
源
光源
当βα≈。

就水平方向而言21r r =时，两个传感器的光照亮度21E E =,此时点光源位于两传感器中间位置;因为竖直方向与水平方向的分布相同，当
43E E =时，点光源位于竖直传感器中
间。

设置激光笔的位置在竖直传感器的中间，当水平与竖直方向同时满足条件时，激光笔将准确定位在光源中心处。

图2 光照度分析图 三．系统单元电路设计
检测电路：传感器检测光照后，输出的模拟量经比较放大处理后接入单片机。

图3 检测电路
点光源电流控制电路：选取比例电流源，输出电流经大功率三极管后，接入负载。

图4 点光源电流控制电路
电机驱动电路：采用电机驱动芯片ULN2003
和三极管驱动控制电机
图5 电机驱动电路
四．程序设计流程 程序描述：
初始化部分：控制器配置
程序主体部分包括：光照度检测，数据处理，状态分析、控制执行机构并循环。

控制系统上电后，如果不按按键K1，那么控制系统会进入到检测状态，在检测状态中，也可以通过按按键K4， K5，K6来实现向上、向下、向左、向 右四个方向的调节。

如果按按键K1，会启动系统自动寻找点光源。

此时，可以移动点光源的位置，或者移动激光笔的指示位置，经过一段
后，系统会自动调节使得激光笔的指示位置与点光源的位置接近，从而达到对点光源的自动跟踪效果。

图6 程序设计流程图
开始
系统初始化
等待开始按键按下
搜索光源
四路传感器采样
控制水平及垂直转向
五．测试方案与结果
1.测试方法与过程
测试前的准备：
先给点光源通电，调整点光源的电流值，达到规定范围内，然后在给其余设备供电后系统直接进入检测传感器是否能够正常工作状态。

然后按启动按键，就可以测试。

测试方法：
在测试前的准备工作结束后，先让其自动运行，在自动找到点光源，并且激光笔正确指示后，沿任意方向调整光源，观测结果。

2.测试仪器及材料
直流稳压电源万用表点光源支架
3.测试结果及拓展部分
点光源沿圆周运动，测量数据如下表：
表2：点光源沿圆周运动的测量数据
测量次数 1 2 3 4 5
测量偏差(cm) 1.3 2.5 1.9 2.4 1.0
测量次数 6 7 8 9 10
测量偏差(cm) 2.8 3.6 2.1 1.4 1.9
点光源沿直线LM运动，测量数据如下表：
表3：点光源沿直线LM运动的测量数据
测量次数 1 2 3 4 5
测量偏差(cm) 2.8 2.9 1.9 1.3 2.3
测量次数 6 7 8 9 10
测量偏差(cm) 1.8 2.0 2.5 3.0 2.3
点光源在激光笔支架前的一定空间范围内运动，测量数据如下表：
表4：点光源在一定空间范围内运动的测量数据
测量次数 1 2 3 4 5
测量偏差(cm) 0.7 1.3 2.1 1.7 0.5
测量次数 6 7 8 9 10
测量偏差(cm) 2.6 1.6 3.0 2.9 1.1
经过反复调试，在规定区域内，激光笔能够在5S内精确指示，误差在 5cm 之内。

此外，经测试，本系统的拓展部分：只要点光源能正对激光笔，任意方向的局部移动也可追踪；追踪的速度可调，分低速、高速追踪，效果良好。

六．设计总结
综合上述各部分的分析与测试结果，本设计基本完成了题目的基本要求，还较好的完成了大部分发挥内容。

通过本次的设计竞赛，我们懂得了理论联系实际的重要性，学到了很多东西，受益匪浅。

附录
1、参考文献
[1]童诗白华成英主编.模拟电子技术基础（第四版）北京：高等教育出版社，2006
[2]胡宴如主编.模拟电子技术（第三版）北京：高等教育出版社，2008
[3]李群芳张士军黄建编著.单片微型计算机与接口技术（第三版）北京：电
子工业出版社，2010。