点光源跟踪系统设计方案

点光源跟踪系统设计报告

设计题目

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

设计报告

项目分数系统方案 2 理论分析与计算8 电路与程序设计9 测试方案与测试结果8 设计报告结构及规范性 3

小计30

基本要求完成第（1）项10 完成第（2）项20 完成第（3）项20

小计50

发挥部分完成第（1）项15 完成第（2）项15 完成第（3）项15 其他 5

小计50

总分130

设计总方案

一：系统概述

本设计是一个点光源追踪系统，主要由传感器来对光照检测与处理，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。整个系统是以单片机为控制核心，通过两个光敏传感器来检测光照，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，借以来控制电机。当水平方向上的两传感器的测量数值相对接近，位于传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。

本系统是有控制核心的单片机对传感器检测的光源的信号进行分析和处理然后控制电机，使其跟随点光源移动。达到跟踪点光源的目的。系统的硬件主要有控制器单片机，电机驱动模块，点光源检测模块，显示模块，键盘，电源转换模块等模块组成的

系统总体框图：

二：核心硬件组成

模块

基本： 采样模块、单片机控制模块、电机驱动模块、电源模块 扩展：点光源电流调节模块、显示模块、键盘模块

1、点光源采样模块

a.点光源检测的原理：2个光敏三极管分布在激光笔的两端，激光笔处于2个光敏三极管的中点，当激光笔指向点光源的时候，2个光敏三极管感光强度一样。 ADC 会实时采样的光敏三极管数据，不断地进行比较，移动点光源时，会通过比较产生判断，驱动电机使激光笔实现对点光源的跟踪。

光敏三极管

单片机

电机驱动芯片

电机

实现跟踪功能

检测光源电路的主要原理是通过检测到光敏电阻的电阻变化,从而引起电压的变化,单片机通过识别不同的电压信号来控制电机的转动。检测光敏电阻主要是通过信号放大电路实现。光敏三极管受到不同光照射时阻值不同。通过与一个固定阻值的电阻串联分压，将阻值变化转化为电压变化。当光照强度变化时，电压值变化。，通过反向比例放大电路将电压值放大，放大后送入12位A/D转换模块TLC2543中的AIN0到AIN1，分别对二路光敏三极管输出电压进行采集。

采用光敏三极管(SDU5C)检测光源。

图1-1光敏三极管采样电路

b.信号放大器

因为传感器检测到的信号是比较微弱的，单片机不好处理，为了是单片机很好更方便的处理检测到的微弱信号，我们需要将其放大然后送给单片机处理。在本系统中我们选择的是信号放大器LM324。LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图1-2所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

图1-2 运算放大器图1-3 LM324引脚图

LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点。

图1-4 信号采集电路

2、芯片选择

单片机选用常见的AT89C51。其控制方便，功能全面，且相对廉价易得。

3、电机及驱动的选择

采用步进电机。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。

采用恒压桥式驱动芯片L298N和L297联合。驱动能力强，电路简单，使用方便。

步进电机

本系统中步进电机的主要作用是调整激光笔的位置，指向点光源。我们选的是两相混合式步进电机，型号是56BYG250B-0241，步距角0.9/1.8度，相电流2.4A，保持转矩0.65N*m，转动惯量180g*cm²，重量0.48kg，外形尺寸（56*56*45）mm。

本系统中我们选用的是L298N驱动芯片，L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

步进电机的控制

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，