点光源追踪

源位置从而进行定位，但 现用用单
间
是操作麻烦，不易编程实 片机控制
现。
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通过比较，我们决定采用方案三----其安放位置实物图如下：
图 2 光敏元件
图 1 3 个光敏元件安放位置
2 控制器的选择方案汇总
题中要求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。需要处理的是由光信号转变的电信号，通过比较进行控制舵机的旋 转，处理此问题可以选择的核心控制器件如下：
但该方案也有许多不足之处，直流电机不易受单片机控制，旋转角度无法程 序有效控制，对于固定角度旋转比较困难，无法通过软件方式使光敏系统准确复 位。
方案二：步进电机带动光敏系统，精确控制旋转角度
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。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的频率和脉冲数，而不受 负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，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的非常的简单。将电路处理后的信号送入单 片机，经过单片机逻辑时序控制步进电机准确旋转一定角度，使得光敏系统旋转 方位准确可控，更方便软件复位，反馈控制电机角度偏差，形成闭环控制，通过 实验可知，当利用其他多路 AD 信号采集处理，将光源定位精确、稳定、可靠。
方案一：用 51 单片机 方案二：用 MSP430 单片机 方案三：用 ARM32 单片机
表 3 方案中单片机特性的对比
使用的单片机
使用优点
使用缺点
备注
MCS-51
内部无 AD 转换，使 使用开发板做需要
常用单片机，容易上手，可 以自行操作
用开发板上自带的 芯片 8591 时涉及到 I2C，写程序时极易
且通过中间光敏电阻对准 可行且精
3
5cm，激光笔靠在中间光敏电阻
光源找到最大值从而可达
准
处，
到准确定位
可通过上下、左右比较找
十字型排列，激光笔位于中心点
可行但不
4
到光源，但是此法没有光
处
精准
敏对准光源处，误差较大。
此法可通过添加套筒后，
找到一个光敏电阻正对光 不易于实
按照圆弧形排列，激光笔夹在中
>4
1.1 光敏元件选择方案汇总 本系统的传感器主要是检测光照度，光敏器件的种类很多，我们查找了如下
方案的相关资料，通过对比，我们选择了最优的几个方案，进行实际测试又进一 步对元件进行了筛选，选取效果最佳的进行应用。
可考虑的传感器如下列方案：
方案一：采用光敏电阻 方案二：采用光敏二极管 方案三：采用光敏三极管 方案四：采用红外接收管 方案五：采用光电池 方案六：采用摄像头 方案七：采用线性CCD
其导通条件 还和外界光
线有关
检测距离相对较远，能
达到2m甚至更远处亦能 采集到有用信号
易受外界光线干 扰
精度较高
光敏三极 管
与光敏二 极管类似
具有很大的 电流放大作 用，灵敏度
高
检测距离相对较远，能 达到2m甚至更远处亦能
采集到有用信号
受外界光线干扰
精度较高
红外接收 管
和光敏二 极管差不
多
不过只受红 外光控制
2
一、系统方案设计与论证 1 光敏传感器的选择方案
光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能 的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。
光敏器件种类很多，如：光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、 光敏电阻、光电池、光电耦合器、光纤等等。在计算机、自动检测、控制系统应 用 非常广泛。
而 LED 的亮度由其上流过的电流大小决定，因此LED的光特性通常都描述为电流 的函数，而不是电压的函数，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED 的正向压降变化范围较大(最大可达1V 以上)，而由上图中的VF-IF 曲线可知， VF 的微小变化会引起巨大的IF变化，从而引起亮度的较大变化。
通过查阅资料、比较与测试，我们选择采用方案三。其实物机械设计如下：
图 3 左右方向旋转的舵机
图 4 上下旋转的舵机
图 5 两个舵机搭建的机械装置 通过单片机写入控制舵机程序，检测如上图 5 机械装置可用，采用如上方案。
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二、理论计算 1 LED 亮度可调电路的理论分析与计算
赛题要求光源 B 使用单只 1W 白光 LED，固定在一支架上。并且 LED 的电流 能够在 150～350mA 的范围内调节。对此，我们首先分析了 LED 的发光机理和伏 安特性。
3 寻找光源电机的选择方案汇总
方案一：直流电机带动光敏系统
通过试验电路，结果表明，利用直流电机驱动光敏系统的光源检测方案有诸 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，微量的入射光线量都会引起电机旋转，调节到中心位置。
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表 1 方案中元件对光敏感性特性的对比
光敏元件
性质
对光源敏感
受外界光线干扰
检测距离（试验验证）
度
情况
备注
纯阻性器
件，两端电 阻抗与外界
光敏电阻 压随光照 强度变化
光线有关
检测距离有
限,题目要求2m远处感 应电压信号很弱
易受外界光
线，特别是白天 普通可见光影响
精度不是 很高
光敏二极 管
有二极管 特性
2 LED 的发光机理和伏安特性:
LED，即发光二极管，其本质上还是一颗二极管，因此当在 LED 的两端加上 正向的电压时，电子和空穴分别注人 P 区和 N 区，当非平衡少数载流子与多数 载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包 括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。下图为某类 LED 正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈 值(本例中为约 3V，区别于 LED 类型)，即通常所说的导通电压之后，可近似认 为，IF 与 VF 成正比：
但该方案有着最大的不足就是无法将一个电机搭在另一个上，步进电机太沉 了，其上电后齿轮上如果粘上另一个电机后无法承重会滑落。
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方案三：舵机带动光敏系统，精确控制旋转角度
舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过 180 度，适用于那些需要 角度不断变化并可以保持的驱动当中。因为在脉冲信号的输出可以用定时器的溢 出中断函数来处理，时间很短，因此在精度要求不高的场合可以忽略。通过编程 就可以让舵机从 0 度变化到 180 度。舵机具有以下一些特点：体积紧凑，便于安 装；输出力矩大，稳定性好；控制简单，便于和数字系统接口。舵机的控制信号 是一个脉宽调制信号，很方便和数字系统进行接口。只要能产生标准的控制信号 的数字设备都可以用来控制舵机，比方 PLC、单片机等。舵机的速度决定于你给 它的信号脉宽的变化速度。将脉宽变化值线性到你要求的时间内，一点一点的增 加脉宽值，就可以控制舵机的速度。由此可见，使用舵机可以很轻松地搭建云台 型机械设计，完全可以实现题目中的要求。
Light source tracking system
Abstract: Source tracking technology is a useful technique which has applications in many fields, particularly in solar energy devices, allowing it to work more efficiently, a higher rate of energy absorption. This paper presents a single chip based on ARM32 light source tracking methods. The control system ARM32 MCU core, through the detection point three photoresistor light signal emitted light, the light signal through the photoelectric conversion by the A / D digital-analog conversion, and then through the ARM32 MCU to deal with these signals, determine the location of point source To achieve two directions of the steering gear automatic tracking of light signals. 1W LED as the light source lamp, through the potentiometer adjustment to meet the required operating current value range. Photoresistor collected through three optical signals, and according to some algorithm to find the source. Keywords: ARM32 MCU; photosensitive resistance; AD conversion; steering gear
表 2 方案中元件布局的对比
光敏电阻的个数
安放位置
定性分析及测试结果
可行性
控制方便，但是一个无法
可行但不
1
竖直与激光笔绑定
实现光源移动时的实时跟
精准
踪
易于比较，但是没有光敏
分别安放在激光笔的两侧约
可行但不
2
பைடு நூலகம்
直接对准光源，不易定位
3cm 处
精准
到最大光源处
该法软件编程较易实现，
依次水平排列开来，每个相距约
加芯片
础写起不容易实现 借用，可方便实现
功能
一开始我们选择的是 51 单片机，其功能完全可以实现题目中的要求，但是 写了 200 多行的程序后，无论怎么调试都无法实现寻找光源，我们分析很有可能 是由于光敏电阻本身灵敏度不高，有光无光时电压变化不明显（有光 0.4V，无 光 1.5V）且通过 PCF8591 芯片进行 AD 转换时的误差较大，导致无法跟踪点光源，。 为了克服 51 单片机内部不自带 AD 转换的问题，我们决定使用 ARM32 单片机。
控制 AD 转换芯片 8591，编程测试没 有通过，没有调试
出错
出来
MSP430
超低功耗，且前人很多都用 次单片机实现的点光源跟
踪
芯片不常用，不容易 买到，且没有使用 过，完全可以用其他
单片机替代
不使用此芯片
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ARM32
内部有 AD 且操作
内部自带 AD 转换，无需外 操作较难，程序零基 AD 有固定函数可以
距离相对较 远，符合检测要求
方向性强，精度 接收的是 高。适合红外光 红外光，受 成分较多的光线 到限制
硅光电池
是一个大 面积 PN 结
受到光照时 产生的电动 势和电流较
大
检测距离相对较远，能
达到 2m 甚至更远处亦能 采集到有用信号
易受外界光线干 扰
器件应用 较少，不易
买到
摄像头
采集图像
可以检测图像对比度较 受外界光线干扰 处理芯片
分数：
校电子设计大赛报告
所选题目： 点光源跟踪系统（B 题）
组员： 学院： 专业： 完成日期：2011 年 6 月 8 日
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序号： 作者： 指导教师：无
点光源跟踪系统（B 题）
摘要：光源跟踪技术是一项实用的技术，在很多领域上都有应用，尤其用在太阳 能设备上，能够使其工作效率更高，能量吸收率更高。文中提出一种基于ARM32 单片机实现对光源跟踪的方法。该系统以ARM32单片机为控制核心，通过三个 光敏电阻检测点光源发出的光信号，经过光电转化将光信号经A/D数模转换，然 后通过ARM32单片机处理这些信号后，确定点光源的位置，从而实现上下左右 两个方向的舵机自动跟踪光信号。点光源为 1W的LED灯，通过电位器的调节使 其工作电流达到要求取值区间。通过三个光敏电阻采集光信号，并按照一定的算 法来寻找光源。 关键词：ARM32单片机；光敏电阻；AD转换；舵机
灵敏度很高
信号
为明显的较远区域
很小
要求太高
采集图像
可以检测图像对比度较 受外界光线干扰 处理芯片
线性 CCD
灵敏度较高
信号
为明显的较远区域
很小
要求较高
经过实际测试与对比，并且受到照度计的启发，我们初步决定采用光敏二极 管为本光源跟踪系统的光敏元件。
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1.1.1 光敏器件的个数及位置设定
我们选择了光敏电阻，设定其安装形式如下： 方案一：使用一个光敏电阻 方案二：使用 2 个光敏电阻 方案三：使用 3 个光敏电阻 方案四：使用 4 个光敏电阻 方案五：使用一排光敏电阻