光源自动跟踪系统设计报告1

题目光源自动跟踪系统
组别第三组
姓名农世安、黄勇深、廖晓
系（院）信息工程系
班级 11应用电子（3+2）
指导教师龙祖连、倪杰、张存吉二O一二年九月三日
光源自动跟踪系统
要摘
本设计以TI公司提供的16位超低功耗、高性能嵌入式微控制器MSP430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。

循迹小车沿半径r =80cm的半圆黑色循迹线（线宽20mm）自C点运动到D点，在D点停留5S后关掉LED灯并自动返回C点，表示一天周期的结束。

放置在地面的光源跟踪系统，通过运用光敏器件的检测、传感器、AT89S52单片机的强大功能及相关外围电路设计产生控制信号传递给步进电机，使步进电机带动激光笔进行左、右等方向进行光源的实时检测及精确的跟踪。

本文着重讨论电机控制与光源检测定位方法。

关键字光源检测及跟踪光敏器件步进电机
目录
一、引言 (4)
任务与要求 (4)
二、方案的选择与论证 (5)
1、微控制器模块的选择与论证 (6)
2、光敏元器件的选择与论证 (7)
3、电机的选择与论证 (8)
4、电机驱动模块的选择与论证 (9)
5、显示模块的选择与论证 (9)
6、方案确认 (10)
7、方案论证 (10)
三、系统总体设置 (11)
1、系统硬件流程图 (11)
2、系统软件流程图 (12)
四、系统单元设计 (14)
1、单片机最小系统 (14)
2、电源电路 (15)
3、黑白线检测模块 (16)
4、电机驱动模块 (16)
五、系统总体测试 (17)
六、总结 (17)
一、引言
.任务与要求：
设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的模拟光伏发电太阳光自动跟踪系统，系统示意图如图1所示。

光源B使用单只1W白光LED（不得使用任何聚光装置），固定在一可调速循迹小车上，循迹小车沿半径r =80cm 的半圆黑色循迹线（线宽20mm）自C点运动到D点，在D 点停留5S后关掉LED灯并自动返回C点，表示一天周期的结束。

循迹小车的速度以自C点运动到D点的时间为20~50S 可调节。

在循迹小车上设置一个激光笔的靶牌，靶牌为同心圆周，中心圆点为直径1mm圆点，外围为5个间距1cm的同心圆，圆圈线条宽度1mm。

光源跟踪系统放置在A点，通过使用光敏器件检测光照强度判断光源的位置，并用激光笔照射到循迹小车上的靶牌上以指示光源的位置。

小车置于C点，将激光笔光点调偏离点光源中心5cm 时，激光笔能够尽快指向靶牌中心（10S内完成）。

在激光笔基本对准光源时，以A为圆心，将循迹小车沿着圆周从C到D移动，激光笔能够连续跟踪指向LED点光源（20S内完
成）。

跟踪完毕，小车在D点停留5S后关闭LED。

灭LED后小车自动返回到C点（10S内）。

将光敏板，转向D点，小车放于C到D圆弧的任一位置，光敏板和激光笔能自动旋转，将激光点指向靶牌。

（10S内完成）。

在基本部分2中，可以显示小车运行时间。

能适时显示靶牌旋转的角度，以A为圆心，C点为0度，D点为180度。

其他。

二、方案的选择与论证
根据竞赛设计任务的总体要求，本系统可以划分为
以下个基本模块，针对各个模块的功能要求，分别有以
下一些不同的设计方案：
1、微控制器模块的选择与论证
方案一：此方案采用AT89C51八位单片机实现。

它内存较小，只有4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，无在线下载编程功能，也无在线仿真功能。

只能通过编程器烧写成以.hex为后缀名的文件。

方案二：此方案采用AT89S52八位单片机实现。

它内存较大，有8K的字节Flash闪速存储器，比AT89C51要多4K。

它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。

单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

方案三：MSP430F149系列单片机。

16位低功耗单片机，性能良好，低电源电源范围：1.8—3.6V，拥有5种低功耗模式（LPM0—LPM4）,灵活的时钟模式，高速运算能力，采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，MSP430芯片上包括JTAG接口：仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现
如设置断点，单步执行，读写寄存器等调试，快速灵活的变成方式：可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。

综上所述，我们采用了第二、第三个方案，即AT89S52（用于小车）、MSP430（用于挡板）。

2、光敏元器件的选择与论证
方案一：光敏电阻，阻抗与外界光照有关，同一光照下阻抗呈线性，响应速度慢，在日常光照射下的线性较好，检测距离有限，比较近。

方案二：光敏二极管光电流与外界光照有关，同一电压下光照越强光电流越大，呈非线性，响应时间快，适用于光电流与照度成线性关系或在高频率下工作状态，光敏二极管的光电流小，不容易捕捉，需加放大电路，但输出特性线性度好，检测距离较远。

方案三：光敏三极管光电流与外界光照有关，同一电压下光照越强光电流越大，呈非线性，响应时间慢, 适用于灵敏度高，工作频率低的开关电路，光敏三极管的光电流大，输出特性线性度较差，检测距离较远。

综上所述，我们采用了第二个方案，即光敏二极管。

3、电机的选择与论证
方案一：采用直流电机，多个固定在光源跟踪系统的不同位置的光敏二极管将感应的不同电压送入比较器，比较器所得逻辑高低电平送入单片机，单片机一控制端口输出的为宽度可变的负脉冲,这样直流电机电枢上的电压也为宽度可变的脉冲电压,即电机的电枢电压即受单片机输出脉宽控制,实现了利用脉冲宽度调制技术(PWM)进行直流电机的变速，从而达到动态调节，直至光源跟踪器（激光笔）直线对准光源位置。

通过试验电路，结果表明，利用直流电机驱动光源跟踪器的检测方案有诸多优点：单片机端口资源利用少，无需多路AD口采集数据，只提取两路AD信号；电机控制方法简单，无需程序设定旋转方向等，硬件自动实现光源精确定位；控制精确，微量的光线入射量都会引起电机转动，调节到中心位置。

但该方案也有许多不足之处，直流电机不易受单片机控制，另外直流电机的响应速度慢，实时效应较差，旋转角度无法程序有效控制，对于固定角度旋转比较困难。

方案二：采用步进电机，步进电机精确控制旋转角度带动光源跟踪器。

步进电机是将电脉冲信号转换为角移位或线移位
的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上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简单。

4、电机驱动模块的选择与论证
方案一：使用L298N芯片驱动电机。

L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口连接来进行控制，而且带有使能端，方便PWM调速。

L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合我们小车
的驱动要求。

此方案电路简单，性能稳定，使用比较方便。

方案二：使用独立的逻辑器件搭建驱动模块。

此方案费用低，但相对麻烦且性能不稳定，容易在硬件上出现故障。

综上所述，我们选择方案一。

即L298N
5、显示模块的选择与论证
方案一：采用三位LED七段数码管显示点滴数目。

按键采用单列三按键。

数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命
长、耐老化，对外界环境要求较低。

同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。

方案二：采用液晶显示器件，液晶显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求，对后续的功能兼容性高，只需将软件作修改即可，可操作性强，也易于读数，采用RT1602两行十六个字符的显示，能同时显示角度、速度、时间。

综上分析，我们采用了第二个方案。

6、方案确认
挡板2个接收光源的发光二级管图2
实物图图3
基于以上多种方案的
优缺点的比较与论证，采用布局合理进行遮光处理的光敏器件检测光源位置变化，采用嵌入式微控制器MSP430结合步进电机进行光源寻踪。

其中2个光敏二极管阻值一样,且要求对称布置，目的是为了实现更加精确的方位检测；同时将光敏二极管紧贴遮光板放置，这样当光源转动时，相对应的光敏二极管所接收到的光线会有较大的差异，那么处于背光面的光敏二极管会发生较大变化，送入单片机的信号就会增大，从而提高了步进电机的灵敏度，使得光源跟踪器旋转方位更加准确。

7、方案论证
经过多种方案的论证，采用不同阻值的光敏电阻对称布置，进行点光源跟踪检测，并把检测信号转换后传送给微控制器MSP430产生控制信号，通过控制步进电机进行精确光源寻踪定位，实现点光源跟踪系统的设计。

三、系统总体设计
1、系统硬件流程图
（1）、系统挡板硬件流程图。

系统挡板硬件流程图图3 （2）、系统小车硬件流程图。

系统小车硬件流程图图4 2、系统软件流程图
(1)系统小车软件流程图
小车软件流程图图5
(2)系统挡板软件流程图
挡板软件流程图图6
四、系统单元电路设计
1、单片机最小系统（用于小车）；
单片机最小系统用于控制小车载着光源轨迹行驶，控制小车的数度，测量小车与挡板的角度，显示角度、速度。

单片机最小系统原理图图7
2、电源电路（用于挡板）
电源电压采用AK系列的780xx稳压管来实现-12V、+12V、9V、5V、3.3V,提供给系统各单元模块
电源模块图8
3、黑白线检测模块
黑白线检测采用反射式光电传感器来检测黑白线，使小车按轨迹行驶。

电路原理图如下
黑白线检测模块图8
4、电机驱动模块
电机驱动模块采用L298来进行驱动小车的行驶速度和转弯，和停止。

电路图如下。

电机驱动模块图9
五、系统总体测试。

表1测试结果
由表1可知，该测试光源跟踪系统能满足设计的基本要求，同时对技术发挥部分也能完成，但当激光笔水平移动时，由于步进电机的抖动是挡板产生微小的变化，导致测量存在一定的误差，因此今后要在步进电机消抖上要有一定的提高，保证光源移动时，光敏器件的测光范围保持不变，从而保证设计要求。

六、总结
由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项性能指标，同时也完成了发挥部分的要求。

点光源跟踪系统主要应用模拟电子技术、单片机、传感器检测与变换及电机的相关知识。

从这次竞赛中我们都认识到实践的重要性，在实践中重新思考书本中的理论知识，并可以应用到实践中去。

题目中的每一点都会涉及到不同的内容，不同的知识，成功的设计出这次竞赛的作品，是一点点知识的积累，是无数次失败的总结。

光源自动跟踪系统的设计主要是为了实现光电传感、位置检测、信号处理、跟踪实时、定位准确。

这就要考虑实现设计要求的前提下采用什么样的元器件光源检测跟随性好，什么样的电机定位精确，因此，为了实现该功能我们将方案进行多次的测量、验证、比较、修改，最终得到了一个较为理想的可实现方案。

通过参加这次竞赛，我们有了更多的体会和收获。

首先是学习能力的增强，这种学习能力包括查寻资料的能力、识图能力、系统方案设计能力、动手操作能力、分析排除故障能力以
及文字表达能力等多方面。

在这个过程中不仅是在知识技能、学习能力上，还是心态、意识上自己都有了一个长足的进步，并且在自学能力、如何与伙伴合作，如何与伙伴沟通能力方面也有较高的提高。