点光源追踪系统
点光源跟踪系统论文
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，执行机构运行和模块显示这几个部分构成。
整个系统是以LM3S811为控制核心，通过四个可见光照度传感器来检测光照，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直流减速电机控制LM3S811一．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：MSP430系列单片机。
16位低功耗单片机，性能良好。
方案二：Cortex-M3系列。
32位处理器内核高性能处理器，具有强大的控制、处理能力，丰富的外围模块，稳定的系统，提供方便高效的开发环境。
本系统选取Cortex-M3系列的LM3S811作为控制器，LM3S811支持低功耗模式，性能稳定，内置嵌套向量中断控制器，在控制、处理数据速度上有优势，并含有丰富的外围模块，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：硅光电池。
硅光电池是一种直接把光能转换为电能的半导体器件，根据硅光电池光照强度曲线特性可知：硅光电池的开路电压或短路电流与光强呈很好的线性关系。
方案三：光敏二极管。
光敏二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。
点光源跟踪系统(四路)
电子设计报告点光源跟踪系统（B题）组员：樊华姚文涵沈洁学校：南京师范大学中北学院专业：电子信息工程指导老师：朱晓舒目录摘要 (3)关键词 (3)一、引言 (4)二、系统方案选择与论证 (5)2.1各种方案设想及论证、优缺点 (5)2.1.1 光敏元件选择方案 (5)2.1.2 光源检测方案 (6)2.1.3 传感器布局方案 (7)2.1.4光电跟踪系统前置放大电路方案 (7)2.1.5 外界环境干扰及其消除方案 (8)三、理论分析与计算 (8)3.1 LED亮度可调电路的理论分析与计算 (8)3.2光电跟踪系统前置放大电路理论分析与计算 (9)四、电路与程序设计 (11)4.1系统的硬件设计 (11)4.1.1微处理和微控制系统单片机 (11)4.1.2电机类型选择 (11)4.1.3系统供电电源设计 (11)4.1.4点光源LED亮度可调电路 (12)4.1.5 光电跟踪系统前置放大电路（跨阻放大器） (12)4.1.6步进电机驱动电路 (12)4.1.7 机械部分的设计 (12)4.1.8系统总体硬件电路框图 (13)4.2系统的软件设计 (13)4.2.1 软件设计总体思想 (13)4.2.2 系统软件结构设计框图 (13)五、测试方案、结果及分析 (15)六、部分设计亮点及调试难点解决方案 (16)6.1 硬件电路设计创意 (16)6.2 用光的特性（直线性）设计检测方法，进行位置精确定位 (16)6.3 软件部分控制精髓 (17)七、总结 (17)八、结束语 (17)九、附录 (18)附录一：系统+12V、+5V供电电源电路图 (18)附录二：LED亮度可调电路 (18)附录三：光源跟踪系统前置放大电路（I-V转换电路） (19)附录四：TLV1544 AD转换电路 (19)附录五：步进电机驱动电路图 (19)附录六：整机系统相关电路图 (20)附录七：整机系统实物图 (20)十、参考文献 (21)摘要本设计以TI公司的超低功耗MCU MSP430 处理器为核心设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统，该光源跟踪系统能够跟踪点光源位置并由激光笔尽快指向点光源的光电方式定位，以考核光源跟踪系统跟踪点光源的灵敏度以及激光瞄准点光源的精确性来评判设计完成指标。
点光源追踪系统设计
点光 源追 踪 系统 设 计 米
李 超 王再 明 甘 铭 韦稳稳 刘 刚
（ 石理 工 学 院 电气 与 电子 信 息工程 学 院 ， 北 黄 石 ４５０ ） 黄 湖 ３０ ３
摘 要 ： 旨在设计一个模拟强点光源追踪装置 ， 以提高光源 的利用率 。装置 由模 拟强光源和光 源追 踪２ 部分构成。模拟强光源装置采用 Ｔ 公司的 Ｌ ３７组成可调恒流源装置控制 １Ｗ 高亮度 Ｌ Ｄ光 Ｉ Ｍ １ Ｅ 源， 并且使用电阻分流和 ＭＳ４ ０ ４ Ｐ３ ｆ ７内部 Ａ Ｃ采样数显 。追踪装置采用 Ａ ｍ ｌ １ Ｄ Ｔ ｅ 公司的 Ａ ｍ ｇｌ Ｔ ｅａ６高 性能 Ａ Ｒ单 片机作为主控芯片 ， Ｖ 将采集到的信号进行综合判别和处理 ， 然后控制舵机实现对光 源的 跟踪 ， 并可实现手动校准 。 关 键词 ： 点光源 ； 跟踪系统 ； 光敏 电阻 ；Ｔ ｅａ６ Ａ ｍ ｇ１
注， 如何 提高太 阳能资源 的利用效 率 已经成 为 当今 世 界 能 源 行 业 重 要 的 话 题 。本 系 统 旨 在 设 计 一 个 模 拟 强 点 光 源 追 踪 装 置 ， 提 高 光 源 以
的利用率 。装 置 由模 拟 强 光 源 和光 源追 踪 ２ 部分 构 成 。模 拟 强 光 源装 置 采 用 ， Ｉ ＇ 司 的 Ｉ公 Ｌ １ Ｍ３ ７组 成 可 调 恒 流 源 装 置 控 制 １Ｗ 高 亮 度
Ｌ Ｃ ａ ＷＡ ／ ｈｏ ＮＧ ｉ ｎ Ｚａ ｍｉｇ
Ｇ Ｎ Ａ
ＷＥＩ Ｗｅ ｗｅ Ｌ Ｕ ｎ ｎ ｎ Ｉ Ｇａ ｇ
（ｃｏ ｅｒａａ ｅｒ ｉＩｏ ａｏ Ｅｇｅｉ ， ｕｎ ｈＩｔ ｔｏＴ ｈｏｇ， ｕ ｇ ｉ ｕｅ４５０） Ｓ ｏｏＥ ｃｉｌｎ Ｅ ｔｎ ｆｍｔｎ ｎｎ ｒｇ Ｈａ ｓ ｓｕ ｎｏ Ｈ ａ ｓ ｂ ０３ ｈ ｌｆｌｔ ｄ ｌ ｏ ｃｎ ｒ ｉ ｉｅｎ ｃ ｃ ｇ ｉｎｉ ｅｆ ｅ ｌｙ ｎ ｈＨ ｉ３ ｔ ｃ
点光源跟踪系统
所以有：
电压： U = 3.3V +12× I
故电压范围为：5.1V~7.5V
R1 + R2 + R3 7.5
R1 + R2 + R3 5.1
=
=
由图可得： R3
1.24 ① ； R2 + R3 1.24 ②
R2 + R3 = 7.5 由式①②得： R3 5.1
取 R2 为 20 kΩ，则有 R3 = 2.152R2 = 42.5kΩ ， R1 = 194.56kΩ 所以取 R1 阻值为 200kΩ ，R3 阻值为 47kΩ。
方案二：采用 TPS61087 做 LED 驱动模块。TPS61087 是具有强制 PWM 模 式的 650kHz/1.2MHz 升压 DC-DC 转换器，输入电压范围为 2.5~6V，输出电压可 高达 18.5V。采用 TPS61087 的驱动电路的输出电流可达 500mA 以上，足够用来
-1-
驱动 150～350mA 范围的白光 LED。因此本设计采用方案二。
-6-
八 附录
原理图一：LM3S1138 的最小系统
R5 10k
3.3V
3.3V
2.5V
3.3V
U1
AMS1117
5V
1 Vin
J1
+ C1
2 1
47uF C3 0.33uF
+5V GND
3.3V
C9
C10
100nF 100nF
Vout 3
+ C2 47uF C4
J6 CON26 D4
LED R14
1.2 光敏传感器的选择与论证
方案一：采用光敏电阻检测光照强度。它 在 强 光 照 射 下 光 电 转 换 线 性 较 差， 频率响应很低。
点光源跟踪系统设计报告
点光源跟踪系统（B题）方案设计报告摘要：本方案使用TI公司生产的MSP430F247为主控芯片，以TPS61062为核心设计了白光LED驱动电路，应用OPA2335作放大器制作了光源检测电路。
本系统利用以激光笔为中心水平和垂直方向上对称分布的四个光敏三极管为探测端接收光源信号，再利用自适应环境算法、电机分段调速等多种算法实现激光束对白光光源的实时跟踪。
本系统成功完成了基础部分和发挥部分的要求，最终定位误差可控制在1.5cm以内。
关键字: 减速步进电机控制LED电流控制自适应算法一、系统方案的选择1.系统测光部件的选择方案一：以四个光敏电阻为探测端分别对称分布于激光笔水平和垂直方向上，中心处即激光束发光点。
利用光敏电阻在不同光强下电阻值的变化与一个定值电阻串联来输出不同分压值进行判断，当光敏电阻正对光源时电压最大，偏离时电压值线性下降。
方案二：使用四个光敏三极管为测光部件采用方案一的布局方式和工作方式制作探测端，但因三极管有β倍的电流放大作用且光源偏离三极管正对方向时电压值下降的波形斜率更大，所以微小位移的幅值变化更明显。
考虑到二者光敏特性曲线的斜率和幅值变化范围等方面因素，故最终选择方案二。
2.光源跟踪系统转动的控制方案选择方案一：光源跟踪系统由双舵机构成“云台”式结构，机械结构简单、稳定，且舵机在两个方向上都可以做到180°自由的转动，转动速度通过PWM波的占空比控制，但舵机本身控制转角的精度可能使连续小角度定位时产生抖动。
方案二：水平方向利用带减速箱的步进电机控制，垂直方向上利用舵机控制转动。
由于减速箱的使用相当于使步进电机的步长角度变得非常小，使在2米外的光源附近的激光束移动时很平滑，可以做到精确步长控制的连续定位，但缺点是减速箱和电机的完全啮合有一定难度，需要较高的机械加工精度。
综上所述，方案一控制方法最为简易，但控制稳定性可能不足；方案二控制精确度高。
由于本次题目应优先考虑稳定性和准确性，故最终选择方案二。
点光源跟踪系统的研究
点光源跟踪系统的研究[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。
基于光敏技术的点光源跟踪系统的设计
３—３ Ｖ； 电源 ： ． ０ 双 ±１５一±１ Ｖ。 ５
体 光敏 器件 具有 灵 敏度 高 、 谱 响应 范 围宽 、 光 重量
轻、 机械 强度 高 、 冲击 、 耐 抗过 载 能力强 、 散 功率 耗 大 以及 寿命 长等 特点 。同时 考虑 到本 设计 需要
１ ２ 设 计方 案选 择 ．
１ ２ １ 恒 流 源 的选 择 ． ．
对 于恒 流 源 电路 ， 设 计 选 用 Ｌ ５ 本 Ｍ３ ８芯 片构
成恒 流 源 。Ｌ ３ ８内部 包 括 有 两 个 独 立 的 、 Ｍ５ 高增
个 不透 光 的 圆 筒 中 ， 筒 上 部 安 装 透 镜 ， 圆 以便 聚
控 制舵 机 带 动 激 光 笔 指 向光 源 。 关 键词 ＭＳ ４ ０ ４ ７ Ｌ ５ Ｔ Ｖ １ ７３ ３ ｒｇ １ ７ 光 敏 电 阻 Ｐ ３ Ｆ ２ ０ Ｍ３ ８ Ｌ １ １ —． ｅ ｌ １
中 图分 类 号
Ｔ ２ Ｐ３
文 献 标 识 码 Ｂ
文章 编 号 １０ — ３ （０ １ ０ —２ １ ３ ０ ０３ ２ ２ １ ）３０９ － ９ ０
在 太 阳能 电池 、 阳能 热 水 器等 很 多 领 域 中 太
实现元 器 件在 结 构 上 的连 续 排 列 ， 因此 本 设 计 采
用光 敏 电阻 。
２ 系统 实 现
都 要对 光 源进 行 跟 踪 ， 样 做 能 够 使 太 阳能 设 备 这 的工作 效率 、 量 吸 收率 更 高 。笔 者 利 用 激 光 笔 能
流， 使用 更灵 活 … 。 １ ２ ２ 光敏 器件 的选 择 ．． 光敏 器件 包 括 光 敏 二极 管 、 敏 三 极 管 及 光 光 敏 电阻等 。其 中光 敏 电阻是 利 用光 的入 射 引起 半 导 体 电阻 的变 化来 进行 工作 的。光 敏 电阻属 半 导
点光源跟踪系统设计
ｍｏｏｓ ｒ ｅｌｓｒ ｅ ｓ ｎ ｃ ｕａｅｐ ｓ ｉｎｎ ． Ｍ３ ｔｐｃ ｌ ｏ ｓ ｎ—ｕｒｎ ｏ ｒｅｃｒｕｔｍｐｅ ｎｅ ｄｕｔｂｅ ｔｒ ｉ ｅ ｎ ｄａ ｃ ｌｔ ｏ ｉｏ ｉｇ Ｌ ｉａ ｃ ｎｔ ｔ ｒｅ ｔ ｕｃ ｉ ｉｉ ｌｍｅ ｔｓａｊ ｓ ｌ ｄｖ ａ ｐ ａ ｔ １ ｙ ７ ａ ｃ ｓ ｃ ａ ｓｏ ｅｔ ｄｕ ｔ Ｅ ｇ ｔ ｉ —５ ｍＡ． ｈ ｏｅｓｓ ｍ ｅｙｇ ｏ ｏ ｌｔｄｗｉ ｉ ｅｓｅ ｉ ｅ ａ ｇ ａ ｋｎ ｃ ｐ ａ ｊｓ Ｌ Ｄ ｌ ｈｓ ｎ１ ０３ ０ ｏ ｉ ５ Ｔ ｅｗｈ ｌ ｙ ｔ ｉ ｖ ｒ ｏ ｄｃ ｍｐｅ ｔ ｎｔ ｐ ｃｆ ｄｒｎ ｅｔ ｃ ｉｇ ｅ ｓ ｅ ｈ ｈ ｉ ｒ
１ 引言
文 中设计 的系统 是源 自于 ２ １ ０ ０年 Ｔ 杯湖北省 电子 Ｉ 设计 大赛 ， 要 求是设计 并制作 一个 能够检 测并指 示点 光源位置 的光源 跟踪 系统 ，系统示意 图如 图 １ 所示 。光 源 Ｂ使用单只 １ 白光 Ｌ Ｄ，固定在一支架上 。Ｌ Ｄ的 Ｗ Ｅ Ｅ 电流能够在 １ ０ ３ ０ ｍＡ ５ ５ ｍＡ 的范 围内调节 。初始状 态 下光 源 中心线与 支架 间的夹角约为 ６ 。 光源距地 面 ０，
ａ ｄ ｐ ｎ ｉ ｈ ｏ ｒ ｅ ｉ ｒｇ ｔ ｅ ｓｃ ａ ｇ ｓ ｉ ａ ｏ ｄ ａ ａ ｔ ｂ ｌｔ ． ｎ ｏｉ ｔｌｇ ｔｓ ｕ ｃ ｎ ｂ ｉ ｈ ｎ ｓ ｈ ｎ ｅ ， ｔｈ ｓ ｇ ｏ ｄ ｐ ａ ｉｉｙ ＫＥＹ ＯＲＤ Ｓ ｔ ｐ ｉ ｇ ｍｏ ｏ ； Ｓ ４ ０ ｈ ｔ ｃ ｎ ｕ ｔｖ ｅ ｉｔ ｎ ｅ ｃ ｎ ｔ ｎ — ｕ ｒ ｎ ｏ ｒ ｅ Ｗ ：ｓｅ ｐ ｎ ｔ ｒ Ｍ Ｐ ３ ；ｐ Ｏ Ｏ Ｏ ｄ ｃ ｉ ｅ ｒ ｓ ｓ ａ ｃ ； ｏ ｓ ａ ｔｃ ｒ ｅ ｔｓ ｕ ｃ
点光源跟踪系统
点光源跟踪系统摘要：本系统以STM32单⽚机作为控制处理核⼼，设计并制作了⼀个能够检测并指⽰点光源位置的光源跟踪系统。
该系统的主电路主要由传感器模块、步进电机驱动模块、液晶显⽰模块和电源模块组成，将光敏三极管、光敏电阻、激光笔与步进电机固定，利⽤光敏三极管和光敏电阻检测光照强度判断光源位置，控制步进电机转动来调整传感器和激光笔的转动⾓度，从⽽跟随点光源的移动⽽转动，准确跟踪点光源。
本系统还具有⼈机交换界⾯，各参数及测试模式可由键盘输⼊并显⽰，智能性好，反应速度快，最终完成了题⽬的所有基本指标及全部发挥部分的要求。
关键词：STM32；光敏三极管；光敏电阻；光源跟踪⼀、系统⽅案1.1整体⽅案描述本系统由点光源和光源跟踪模块两⼤部分构成，以STM32单⽚机为控制核⼼实现了点光源识别、点光源跟踪、模式设定、液晶显⽰及激光笔精确指⽰等功能。
光源由功率LED组成，通过改变回路中滑动变阻器的阻值⼤⼩，来改变功率LED 电流的⼤⼩，使电流能在150mA~350mA的范围内调节。
光源跟踪模块由STM32单⽚机、步进电机、传感器电路、激光笔组成。
当点光源移动时，传感器电路的光敏三极管和光敏电阻检测到点光源强度发⽣改变，通过STM32单⽚机AD采样处理，控制步进电机的转动，使激光笔始终指向点光源中⼼，即达到点光源跟踪的⽬的。
本系统总体结构框图如图1所⽰。
图1 系统总体结构框图1.2⽅案⽐较与选择1.1.1光源检测⽅案选择⽅案⼀：由光敏元件检测中⼼线处的光源强度，实现光电转换，通过AD采样，检测电压的变化，设计算法实现光源⽴体坐标的检测。
此⽅案运⽤软硬结合的⽅法可以检测出光强的微⼩变化，硬件电路和算法都⽐较简单。
⽅案⼆：硅光电池检测中⼼线处的光源强度，实现光电转换，通过电压⽐较器检测电压的微⼩变化，处理过程基本由硬件完成，调试过程复杂。
综合上述⽐较，考虑到本系统抗⼲扰能⼒要求较⾼，采⽤光敏元件检测，硬件结构简单，环境适应性较强，故选择⽅案⼀。
点光源二维跟踪定位系统设计
关键词 ：光源定位 软件滤波 电机控制 ＭＳ ４ ０ Ｐ３
中 图 分 类 号 ：Ｔ １ Ｈｌ 文 献 标识 码 ：Ａ 文章 编 号 ： １０ ．９ ３ ２ １ ） １－５ —３ ０ ７３ ７ （ ０ ０ ０ １０ ８０
上‘ Ｆ电机通过木板相连，探测器捆绑 本方案在探测器的固定 上需使探测器
左侧和右侧电机捆绑在一起，探测 运 器捆绑在左侧电机上
．
碧 使探器 下动右 电的 动在 侧 机 ．侧ｌ 转 使探 得 测上移 左侧屯机的转动 器左右移动，上侧 电机的转动使得探测器 侧机 转 上 电 上 下 ｝的 动 得 测 机
一
编址 ， 寻址 范围 最 大可 以达 到 ６ Ｋ， 且可 以外扩 展 存储 器 ； ４ 并
图 ２ 电机 驱 动 原 理 图
片内有精密硬 件乘法器 、 ２个 ｌ ６位定时器、 个 ｌ １ ４路的 ｌ 位 ２
模 数 转 换 器 等 。在 本 设 汁 中 ，我 们 需 要对 光 敏 电阻 采 集 到 的 ．２ ２ 信 号 进 行 Ａ／ 换 ，进 而 对 电机 进 行 控制 。ＭＳ ４ ０ １９单 １ ． 点 光源 寻 光 模 块 Ｄ转 Ｐ３Ｆ４
时 需 加 上 反 向 电 压 。 无 光 照 时 ， 很 小 的 饱 和 反 向漏 电流 ， 有
设计中采用步进 电机 。 步进 电机 区别于其他控 制电机 的
暗 电流 ， 时光敏二 极管截 止 ： 此 当受到 光照 时， 饱和 反 向
最 大 特 点 是 ，它 是 通 过 输 入 脉 冲 信 号 来进 行 控 制 的 ， 电 机 漏 电 流 大 大 增 加 ， 成 光 电 流 ， 随 入 射 光 强 度 的 变 化 而 变 即 形 它
点光源跟踪系统
点光源跟踪系统一、任务设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统，系统示意图如图1所示。
光源B使用单只1W白光LED，固定在一支架上。
LED的电流能够在150～350mA的范围内调节。
初始状态下光源中心线与支架间的夹角θ约为60º，光源距地面高约100cm，支架可以用手动方式沿着以A为圆心、半径r约173cm的圆周在不大于±45º的范围内移动，也可以沿直线LM移动。
在光源后3 cm距离内、光源中心线垂直平面上设置一直径不小于60cm暗色纸板。
光源跟踪系统A放置在地面，通过使用光敏器件检测光照强度判断光源的位置，并以激光笔指示光源的位置。
图1 光源跟踪系统示意图二、要求1．基本要求（1）光源跟踪系统中的指向激光笔可以通过现场设置参数的方法尽快指向点光源；（2）将激光笔光点调偏离点光源中心30cm时，激光笔能够尽快指向点光源；（3）在激光笔基本对准光源时，以A为圆心，将光源支架沿着圆周缓慢（10~15秒内）平稳移动20º（约60cm），激光笔能够连续跟踪指向LED点光源；2．发挥部分（1）在激光笔基本对准光源时，将光源支架沿着直线LM平稳缓慢（15秒内）移动60cm，激光笔能够连续跟踪指向光源。
（2）将光源支架旋转一个角度β（≤20º），激光笔能够迅速指向光源。
（3）光源跟踪系统检测光源具有自适应性，改变点光源的亮度时（LED驱动电流变化±50mA），能够实现发挥部分（1）的内容；（4）其他。
三、说明1．作为光源的LED的电流应该能够调整并可测量；2．测试现场为正常室内光照，跟踪系统A不正对直射阳光和强光源；3．系统测光部件应该包含在光源跟踪系统A中；4．光源跟踪系统在寻找跟踪点光源的过程中，不得人为干预光源跟踪系统的工作；5．除发挥部分（3）项目外，点光源的电流应为300±15 m A；6．在进行发挥部分（3）项测试时，不得改变光源跟踪系统的电路参数或工作模式；四、评分标准信号波形合成实验电路一、任务设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和其他信号。
点光源追踪系统报告---不加学号
2010年陕西省第二届大学生德州仪器（TI）杯模拟及模数混合电路应用设计竞赛参赛队编号（参赛学校填写）学校编号组（队）编号选题编号B点光源跟踪系统设计报告摘要：该系统由主控电路、采样调理电路、光源支架、光源跟踪电路、电源模块电路、液晶显示电路等六部分组成。
我们采用TI公司推出的Cortex-M3系列LM3S811为主控芯片，以及光敏三极管(3DU5C)采集LED灯光强度的方案实现对点光源的跟踪。
我们创造性的采用LM3S811芯片特有的过采样功能，能够对多达连续64次的采样作出平均计算，有效消除采样结果的不均匀性，实现激光笔对点光源的精确追踪。
采用内部看门狗实现了在调节点光源LED电流后，在不改变电路参数和工作模式的情况下，激光笔依然能自动跟踪点光源。
通过LM317的输出电压可控来调节点光源的电流大小，满足题目要求。
关键词：LM3S811 光敏三极管过采样自动跟踪一、系统方案论证1.主控芯片选择方案我们选择了TI公司推出的Cortex-M3系列LM3S811为主控芯片。
2.光敏器件选择方案题目要求检测环境是正常光照，在有一定正常室内光照干扰的情况下，需要采用对点光源敏感的器件。
方案一：采用传统方法使用光敏电阻检测光强。
方案二：采用光敏三极管(SDU5C)检测光源方案分析：方案一中的光敏电阻只能对有无光照进行检测，无法对光的强度进行检测，在正常室内光照的环境下，对点光源并不敏感。
而光敏三极管对光强非常敏感，除了可以实现光 -电转换外，还能放大光电流，我们也通过采样的数据分析证明光敏三极管可以在正常室内光照下有效的对点光源的强度变化进行检测，能满足题目要求，故选择方案二。
3.点光源供电方案方案一：利用Cortex-M3控制DA芯片TLC5615产生稳定0-3.3V稳定电压，但输出电压在空载与加负载的情况下有很大区别，不能在有负载情况下实现稳定的电流输出，达不到300mA。
方案二：利用LM317产生可控电压对LED点光源供电。
2-点光源跟踪
点光源跟踪系统摘要：本系统是以单片机的最小系统为控制核心，分为点光源、信号采集、信号放大、步进电机和人机交互模块等部分。
该系统通过控制步进电机正反转来追踪在一定范围内移动的点光源；当支架用手动方式沿着以跟踪系统为圆心、半径r约173cm的圆周在不大于±45º的范围内移动，也可以沿直线以该圆的一个切线移动，该追踪系统都能锁定点光源的位置。
一、方案论证和比较a）信号采集元件的选择方案一：利用光敏电阻在不同光照强度下电阻阻值随光照强度的增强而减小的原理来提取信号。
光敏电阻比较稳定，能够很好的把光信号转变为电信号，而且经济适用；但其反应不够灵敏，而且受周围环境温度的影响比较大。
方案二：使用光敏二极管作为采光元件。
当遇到外界光照时，光敏电阻内PN结的电子和空穴会增多从而其值会下降。
它感光性能良好，稳定而且反应速度快；但是其电流值太小，不便于信号的提取，后级需要很大的信号放大，这样就导致误差增大。
方案三：使用光敏三极管作为信号提取原件。
光敏三级管不仅采光性能灵敏稳定，而且其本身就具备电流放大作用；如果仍不能达到要求可以使用达林顿光敏三极管来放大电流。
综合考虑上述三种方案，我们最终选择方案三。
b）电机的选择电机是整个系统的动力源，而题目并没有规定使用何种电机，所以在系统设计之初首先面临的一个问题便是选用什么电机。
方案一：采用直流电动机。
直流电机输出功率大，带负载能力强，驱动电路简单，但精确控制直流电机转动角度不易实现。
方案二：使用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角，具有较强的快速启停能力。
其控制特性如图所示。
θ= ck ,其中θ为步进电机的角位移量,k 为脉冲数, c 为常数。
这一线性关系的存在，使得步进电机只有周期性的误差而无累积误差，这一特性是整个系统方案的基础。
我们采用的是四相八拍步进电机。
C）电机驱动模块的选择方案一：直接用单片机输出四相脉冲来控制L298驱动步进电机正反转，当顺序为A-B、B、B-C、C、C-D、D、D-A时，步进电机正转，当顺序为A-D、D、D-C、C、BC-B、B-A、A时步进电机反转。
点光源追踪系统设计
ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｏ ｒｅａｌ－
ｗｒｏｒｄｓ：ｐｏｉｎｔｌｉｇｈｔ
ｓｏｕｒｃｅ；ｔｍｃｋｉｎｇ ｓｙＳｔｅｍｓ；ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＡＴｈｅｇａｌ６
如今，太阳能资源已越来越受到人们的关 注，如何提高太阳能资源的利用效率已经成为 当今世界能源行业重要的话题。本系统旨在 设计一个模拟强点光源追踪装置，以提高光源 的利用率。装置由模拟强光源和光源追踪２ 部分构成。模拟强光源装置采用ＴＩ公司的
Ｒ电阻网络总最大功耗为１５６＋３０６＝４６２ ｍＷ；当 ＲＲ为１００ ｎ时，Ｒ４上电流为１．２５／１０５．１＝１２
ｍＡ，其功率为ｏ．０１２×Ｏ．０１２×５．１＝ｏ．７ ｍｗ，此
时ＲＰ２上的功耗为０．０１２×Ｏ．０１２×１００＝１４ ｍｗ。 图６主程序框图 ＰＩＤ算法控制是目前应用最为广泛的一种自
ＲＰ２上的功率可：＝
参考文献 ［１］
Ｆ锄Ｈｅｈｏｎｇ，ｓｕｎ
ｘｉａｏｈａＩｌ，ｚｈａｎｇ
ｔｏ
［３］
Ｘｕ
Ｑｉｎｇｈｕａ，Ｌｉ
Ｔａｏ，ｓｕｎ ＣｈｕａｒＩ，ｅｔ ａ１．Ｆｕｚｚｙ Ａｓ—
ｏｎ
ｓｅｓｓｍｅｎｔ Ｆｅｅｄｂａｃｋ
Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｐｍｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｓｋｉｌｌ Ｂａｓｅｄ
Ａｍｅｎｄｍｅｎｔ［Ｃ］．ＣＩＮｃ ２０１０．Ｗｕｈａｎ，
第２７卷第４期 。２０１１年８月
黄石理工学院学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＵＡＮＧＳＨＩ ＩＮＳｌｌＴＵ’ＩＥ ０Ｆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＣＹ
Ｖ０１．２７ Ａｕｇ．
Ｎｏ．４ ２０１ｌ
ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８—８２４５．２０１１．０４．００４
点光源追踪系统设计水
点光源跟踪系统课程设计
指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学自动化学院计算机控制技术课程设计报告设计题目：光源随动系统单位（二级学院）：学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：设计时间：2013 年 6 月重庆邮电大学自动化学院制摘要本设计给出了一种基于单片机的点光源自动跟踪系统设计方案, 该设计使用TI公司的超低功耗的AT89C52单片机作为整个系统的控制核心，主要由电机驱动模块，点光源检测模块，电源转换模块等模块组成。
利用8路光敏电阻来检测点光源的位置并将检测到的信号经过放大后进行AD转换，将转换的结果传给控制器AT89C52单片机，经过过单片机的运算和处理来确定点光源的运动趋势，并将运算的控制信号控制两台步进电机，使其跟随点光源运动。
本设计可以扩展为以后的太阳能发电的自动跟踪系统。
该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向, 结构简单、成本低, 而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置, 不必人工干预, 特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况, 有效地提高了太阳能的利用率, 有较好的推广应用价值。
关键词：AT89C52单片机、光源、自动跟踪、传感器目录摘要.................................... 错误！未定义书签。
目录.. (3)一设计题目 (4)1.1 基于单片机的光源自适应控制系统设计 (4)1.2 设计要求 (4)二设计报告正文 (5)2.1 设计方案总体方向的选择 (5)2.1.1 系统方案的拟定 (5)2.1.2 方案选择 (5)2.2 硬件电路的设计 (6)2.2.1 A/D转换模块 (6)2.2.2 步进电机模块 (9)2.2.3 电机驱动模块 (11)2.2.4 检测模块 (13)2.2.5 单片机模块 (14)2.3 系统软件设计 (18)三总体调试 (19)3.1 总体调试 (19)3.2 问题及解决方案 (19)3.2.1 通道比较阀值的设置 (19)3.2.2 电机的防抖 (19)四设计总结 (20)五参考文献 (21)六附录 (22)一、设计题目1.1基于单片机的光源自适应控制系统设计设计一控制系统，假设有一个太阳能电池板，为了使电池板最大限度的接受光照强度，通过控制器调节电池板的角度使电池板始终正对光线。
点光源跟踪系统设计报告
点光源跟踪系统摘要:本文设计了一个基于低功耗单片机MSP430F2618的光源跟踪系统，系统分为可移动光源、光信号接收及处理、亮斑位置调整三个主模块。
可移动光源利用1W白光LED和驱动芯片TPS61062发出亮度可调的光信号；光信号接收及处理模块利用光敏三极管并经过信号调理电路，完成光信号的接收和处理；亮斑位置调整模块由步进电机及其驱动电路组成，是调整亮斑位置的执行电路，MCU对采集的光信号进行处理，并运用比例积分（PI）控制算法与脉宽调制（PWM）完成对电机的控制，从而实现激光亮斑对可移动光源位置的跟踪。
此外，该系统还包含电源、声光报警、液晶显示、拨码开关等模块，人机交互界面友好，使用方便。
关键字： PI控制算法 PWM控制 LED光源步进电机1一、系统方案1. 整体方案选择根据题目要求，此光源跟踪系统可按功能划分为可移动光源、光信号接收及处理、亮斑位置调整三个主模块。
利用光敏三极管将可移动光源发出的光信号转化为电信号后，由MCU对采集的信号进行计算处理，并控制电机和舵机以调整激光笔的角度，实现激光亮斑对可移动光源的跟踪。
系统整体框图如下图所示：2.主控制器的论证与选择方案一：采用FPGA作为系统的主控制器，对光信号接收及处理系统产生的电信号进行处理，并控制电机运动。
FPGA速度快,但成本偏高，算术运算能力不强。
方案二：采用MSP430F2618单片机作为控制核心。
该单片机拥有包括ADC 在内的丰富外设资源，且算术运算能力较强，软件编程灵活，可以实现各种灵活的运动控制。
考虑到本系统对速度要求不高，最终采用了方案二。
3. 光信号接收及处理模块的论证与选择此模块的主要功能是利用三组光敏三极管，把可移动光源发出的光信号转化为电信号，其中两组位于水平面，一组位于竖直面，且每组的两个光敏三极管关于中心对称。
要实现此模块功能，有以下可选方案：方案一：利用比较器，并设置门槛电压为0V，输入信号为每组的两个光敏三极管的分压。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
设 计 任 务
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１ ０－ ９ ３ （０ ２ ８ ０ ６ — ２ ０ ６ ７ ７ ２ １ ）０ — ０ ４ ０
一
、
系 统 检 测 部 分 可 采 用 摄像 头 ，摄 像 头 高 速 扫 描 ，通 过 分
文 中设 计 的系 统 是 源 自于 ２ ０年 Ｔ 杯 湖 北省 电子 设 计 ０１ Ｉ 大 赛 ，要 求 设 计 并 制 作 一 个 能 够 检 测 并 指 示 点 光源 位 置 的 光
进行位移的检测 ，最终实现跟踪 定位 。
收 稿 日期 ：２ ２ ０ — ６ ０１ — ５０
图 ３ Ｌ Ｄ驱 动 电路 Ｅ
作者简介：汪
璇 ，湖北大 学知行 学院计算机与信息工程系 。
第 ８期
汪
璇 ：点 光 源 追 踪 系 统
６ ５
在 硬件 调 试 中调 节 变 阻器 Ｒ ，可 看 到 负载 Ｒ１上 的 电 Ｖ１ 流 逐 步 变化 ，变 化 范 围可 达 到 １ ０ ３ ０ ， 同 时 也可 观 察 ２ － ７ ｍａ 到 Ｌ Ｄ 灯 的 亮度 逐 渐 增 强 。从 而 实 现 Ｌ Ｅ ＥＤ 灯 电流 变 化 下 的 扫 描 与 跟踪 定 位 。
０ｅ ａ ｒ
我们 用 了可 调 稳 压 电源 来 给 Ｌ Ｄ 供 电 ， 输 出 电压 能 进 行 精 Ｅ 使 密 调节 ，从 而 能 进 行 电流 调 节 ， 电路 如 光 源 跟 踪 系 统 示 意 图
二 、方 案 论 证
设 计 要 求 实现 随 动 系 统 能 够 定 点 找 到 光 源 ，随 动 追 踪 光
源 跟 踪 系 统 ， 系统 如 图 １所示 。 光源 Ｂ 使 用 单 只 ｌ 自光 Ｗ
析采集 到的模拟视频信号 ，分析视频 中心与光源 的位差 ，通
过 控 制 电路 进 而 控 制 云 台 的转 动 。使 用 摄 像 头 作 为 采 光部 分 虽 然 能 够 高 精 度 的测 量 ，但 摄 像 头 体 积 大 ，成 本 高 ，考 虑 到 产 品的 性 价 比 ，系 统 光 检 测 部 分 决 定 采 用光 敏 三 极 管 ，感 光 后 产 生 电平 再 经 比较 器 处 理 后 产 生一 个 高 低 电 平 ，通 过 单 片 机 处 理 可 以 控制 继 电器 的通 断 ，进 而 控 制 云 台 的 正 转 ，反转 ， 停 止 。最 后 实现 自动 跟踪 。
源 ，光源沿弧线 和直 线运动时均能够找到光源等 。这样一个
点 光 源 跟 踪 系 统重 点在 光 源 的 的 检 测 与 跟 踪 定 位 两 个 部 分 ， 光 源 的检 测 部 分 要 求 能 够 采 集 到 高 ｌ ， 平 距 离 １７ ｍ 的 ｍ 水 ．３ １ 光 源 ， 检 测 部 分 检 测 后 能 产 生 电压 。跟踪 部分 要求 能 够 ｗ 经 将 经 模 拟 电路 处 理 后 的 电压 值 进 行 处 理 并 通 过 电平 的改 变 值
断 光 源 的 位 置 ，并 以 激 光 笔 指示 光源 的位 置 。 图 ２ 系 统 整体 设 计 示 意 图
光 源 跟 踪 电路 通 过 光 敏 三 极 管 接 受 Ｌ Ｄ 光 源 且 产 生 电 Ｅ 压 ，该 电压 与 比较 器 的 的 比 较 电压 进 行 比 较 ， 当 电压 高 于 比
Ａ 为 圆心 、半径 ｒ １ ３ ｍ 的 圆周 在 不 大 于 ±４ 。 约 ７ｃ ５ 的范 围 内
移 动 ，也可 以沿 直 线 Ｌ 移 动 。在 光源 后 ３ ｍ 距 离 内、光 源 Ｍ ｃ 中 心 线 垂 直 平 面 上 设置 一直 径 不 小 于 ６ ｃ 暗色 纸 板 。光 源 ０ｍ 跟踪 系 统 Ａ 放 置在 地 面 ，通 过使 用 光敏 器 件 检 测 光 照 强 度 判
Ｌ Ｄ ，固 定在 一 支 架 上 。Ｌ Ｄ 的 电流 能 够 在 １ ０ ３ ０ Ｅ Ｅ ￣ ５ ｍＡ ５ 的范 围 内 调节 。 始 状 态 下 光 源 中心 线 与 支 架 间 的 夹 角 Ｏ 为 初 约 ６ 。 光源 距地 面 高 约 １ ０ ｍ ，支 架 可 以 用手 动 方 式 沿 着 以 ０， ０ｃ
第 １ ２卷 第 ８期
２０１ 芷 ２
中 国
水
运
Ｖ０１ ２ ．１
Ａｕ ｓ ｇｕ ｔ
Ｎ ８ ｏ． ２ ２ ０１
８月
Ｃ ｎａ ｈｉ Ｗａ ｔｅｒ Ｔｒ ａｎｓ ｏｒ ｐ ｔ
点光 源 追 踪 系统
汪 璇
（ 北 大 学 知 行 学 院 计 算 机 与信 息 工 程 系 ，湖 北 武 汉 ４ ０６ ） 湖 ３０ ２ 摘 要 ： 本系 统 以 Ｍ ｓ ４ Ｏ Ｇ４ ９单 片机 为 控制 核 心 ，光 敏 三 极 管 （ ＤＵ３ ）为 传 感 器 ，辅 以外 围模 拟 电路 能 较 Ｐ３Ｆ ３ ３ ３
精 确 地 实 现 点 光 源 追 踪 系 统 。 本 系 统 的 特 色在 于 使 用 了继 电器 控 制 云 台 ，利 用单 片 机 控 制 继 电器 ，进 而 控 制 实 现 点 光 源 的 追 踪 。 另 外 系 统 可 以通 过 红外 调整 云 台转 动 ， 由 Ｌ Ｄ 液 晶屏 显 示 菜 单 ，人 机 交 流 页 面 ，方 便 用 户使 用 。 Ｅ 关 键 词 ：点 光 源 ；追 踪 系 统 ；ＭＳ ４ ０ Ｇ４ ９；光敏 三极 管 ３ Ｐ３Ｆ ３ ＤＵ３ ３
较 电压 比较器输 出低 电平送单片机 ，说明此时激光 已经对准
Ｌ Ｄ 灯 。反 之 ，则 是 高 电平 ，高 电平 则 会 控 制 云 台 转 动 ，直 Ｅ 到 比较 器 有 低 电平 输 出 。 三 、硬 件 设 计
１ Ｌ ． ＥＤ 电 流 源 模 块
为 了让 Ｌ Ｄ 的 电流 能 够 在 １ ０ ３ ０ Ｅ ５ － ５ ｍＡ 的范 围 内调 节 ，