点光源跟踪系统--设计报告

点光源跟踪系统（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150350MA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60，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45的范围内移动，也可以沿直线LM移动。在光源后3CM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（1015秒内）平稳移动20（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（20），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30015MA；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；点光源跟踪系统（报告）摘要本方案所涉及的点光源跟踪系统采用光敏三级管来检测点光源，并且利用比较比较器来判断电压高低，从而获知各个光敏传感器接收到的光的强弱来判断点光源的位置。然后通过两个298直流电机分别控制装有红外线激光笔所在的圆盘进行水平、垂直方向的移动。而点光源采用的是单只1W白光LED，以A为圆心、半径R约173CM的圆周在不大于45的范围内移动。关键词步进电机光敏三极管LED点光源ABSTRACTTHEPROGRAMINVOLVESAPOINTSOURCETRACKINGSYSTEMUSESTHREETUBESTODETECTLIGHTSENSITIVEPOINTLIGHTSOURCE,ANDUSEMOREVOLTAGECOMPARATORTODETERMINETHELEVELOFLIGHTSENSORSTOLEARNALLTHESTRENGTHOFTHERECEIVEDLIGHTTODETERMINETHEPOINTSOURCEPOSITIONTHENTWO298DCMOTORCONTROLWITHINFRAREDLASERPOINTER,RESPECTIVELY,WHERETHEDISCHORIZONTALANDVERTICALMOVEMENTTHELIGHTSOURCEISUSEDINSINGLE1WWHITELED,WITHAASTHECENTER,ABOUT173CMCIRCUMFERENCEOFRADIUSRISNOTGREATERTHAN45INTHERANGEOFMOVEMENTKEYWORDSDCMOTORPHOTOTRANSISTOR298LEDLIGHTSOURCE目录一、方案设计与论证11题目解析0112方案讨论02二、理论分析与计算21系统的整体设计22功能模块的设计三、硬件设计31系统的整体设计32功能模块的设计四、软件设计41系统的整体设计42功能模块设计五、系统的组装与调试51整体结构布局与工艺图52系统调试53测试结果及分析附录一附录二一、方案论证11题目解析方案设计主要分为两块点光源B、光源跟踪系统A。首先，光源B使用固定在一支架上的只1W白光LED，其流能够在150350MA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60，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45的范围内移动，也可以沿直线LM移动。在光源后3CM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。如图所示根据题目所知，该系统必须具有对光强度进行识别、判断以及根据判断后的信息进行转向，将激光束指向点光源这几大功能。12方案讨论方案一使用430单片机来控制两个步进电机转动，并使用AD来判断光敏传感器输出电压大小，并进行比较最后确定光源位置并转动。方案二使用51单片机来控制两个步进电机转动，并使用AD来比较光敏传感器输出电压的大小，比较后使电机转动找到点光源的位置。方案三使用51单片机来控制两个直流电机转动来带动两个转盘转动，使用比较器来判断光敏传感器输出电压的大小，并且确定点光源的位置后靠两电机转动来调整位置。相比于430单片机，51单片机编程更加简单并且利于理解。LM258组成的比较器与AD相比，结构更加简单、稳定，易于控制且成本更低。相比于步进电机，直流电机更加易于控制，且转动更加灵活。光敏传感器分为光敏二极管、三极管，光敏电阻三类。其中光敏电阻相对于光敏二极管、三极管准确度稍低，而光敏二极管不如光敏三极管灵敏，所以最终选用光敏三极管。所以，最终方案是采用51单片机来控制两个直流电机298转动。且选用光敏三极管作为光敏传感器，通过四个LM258组成的比较器来分别判定两两相邻的两个传感器输出电压的大小。二、硬件设计21系统的整体设计原理框图光敏三极管接受光照，电压变化三极管放大四个光敏模块分别输出电压，两两相邻的由一个比较器进行比较经过比较器发送出分别发出高低电平信号由单片机处理电平信号后，发出指令给两个电机电机转动，红外线指向点光源22功能模块的设计一、步进电机转动模块主要由两个转盘组成，底座上的转盘与水平面平行，由电机控制着顺时针（逆时针）转动。而探头装在另一个转盘，该转盘由电机控制着在垂直水平面地方向上做半圆周运动。其中，电机选用的是L298N步进电机，它内部包含四通道逻辑驱动电路步进电机正转脉冲分配表P00P01P02P03步数AB/A/B11100201103001141001步进电机反转脉冲分配表P00P01P02P03步数AB/A/B11100210013001140110两电机与L298N的连接电路图5314118M12V5V二、光敏传感器模块选用光敏三极管作为光敏传感器，制作四个小模块，两两对称分布在第二个圆盘上。该模块电路图如下三、比较器模块在这一功能块里我们使用了LM258和LM311两种运放来制作比较器部分，来判断两两对称的光敏模块的输出电压大小左图分别为LM311和LM258的管脚图。左图为比较器的电路图并且因为每个光敏三极管在相同光强下输出的电压值会有所不同，所以在光敏传感器模块输出到比较器部分之前还需要利用电位器调节使得两者在相同光照强度下输出电压相同。四、单片机模块三、软件设计31系统的整体设计原理框图如下分别判断上下左右的四个光敏模块输出电压通过比较器后输出的是否为高电平否向上转向左转向下转向右转是开始，初始化四、系统组装与调试41整体结构布局与工艺图整体构架简图上圆盘光敏模块分布图图中长方形即为光敏模块电路图42系统调试一、在相同光照强度下光敏模块输出电压的调试将两两相对的光敏模块置于相同光强下，用示波器探头连接输出端，观察输出电压，并用电位器调节至一致。二、红外线探头的调试四个光敏模块调节好之后，在上圆盘上完全安装好之后。开启整个系统，在系统转动至面向点光源并稳定时，停止系统，找准红外线光束对准的位置，并安装好红外线探头。三、转动速度的调试根据上下两圆盘的转动情况，对程序进行修改，确定合适的转速。43测试结果及分析一、光敏传感器模块所偏角度为装有四个光敏传感器模块的转盘相对于点光源的偏转角度。测量工具为万用表。输出电压值/V左偏90左偏60左偏30正对光源右偏30右偏60右偏90模块1（上）001181296433295180001模块2（下）000180295431298182002模块3（左）002102278432321210000模块4（右）000203312433280203001输出电压值/V上偏90上偏60上偏30正对光源下偏30下偏60下偏90模块1（上）001433001模块2（下）000431000模块3（左）0021822954322001模块4（右）001181294433O02三、比较器输出电平与转向高电平低电平比较器1（左右）向左转向右转比较器2（上下）向上转向下转激光笔所指的位置在离点光源5CM的范围内。三、该系统实现的功能（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（1015秒内）平稳移动20（约60CM），激光笔能够连续跟踪指向LED点光源。附录一元件型号/大小数量木质圆盘2直流电机2红外探头189C52单片机1LM298芯片2光敏三极管4附录二所有程序INCLUDESBITIN0P10SBITIN1P11SBITIN2P12SBITIN3P13SBITIN4P14SBITIN5P15SBITIN6P16SBITIN7P17SBITUPDOWNP20SBITLEFTRIGHTP21VOIDDELAY1UNSIGNEDINTI/05MS,步进电机延时用WHILEIVOIDLEFTRIGHT1CHARA/左转UNSIGNEDCHARIFORI0IAIIN01IN10IN20IN30DELAY1500IN00IN11IN20IN30DELAY1500IN00IN10IN21IN30DELAY1500IN00IN10IN20IN31DELAY1500VOIDLEFTRIGHT2CHARA/右转UNSIGNEDCHARIFORI0IAIIN00IN10IN20IN31DELAY1500IN00IN10IN21IN30DELAY1500IN00IN11IN20IN30DELAY1500IN01IN10IN20IN30DELAY1500VOIDUPDOWN1CHARA/上转UNSIGNEDCHARIFORI0IAIIN41IN50IN60IN70DELAY12000IN40IN51IN60IN70DELAY12000IN40IN50IN61IN70DELAY12000IN40IN50IN60IN71DELAY12000VOIDUPDOWN2CHARA/下转