点光源跟踪系统论文.pdf

1 摘要摘要 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 2 一 系统方案设计一 系统方案设计 1 1 1 1 主控芯片主控芯片 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 2 2 2 传感器的选择传感器的选择 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 方案四 可见光照度传感器 该传感器是一个光电集成传感器 内置敏感元接收器 可 见光范围内 输出电流照度呈线性变化 暗电流小 低照度响应 灵敏度高 在测试光敏电阻与硅光电池时 发现光源的距离限制了两者的应用范围 当距离比较大 时 两者的灵敏度大大降低 经实践测定 光敏二级管与可见光照度传感器满足要求 但在 反映速度 及变化的灵敏 快速性方面 光照度传感器更胜一筹 因此传感器选择方案四 3 3 3 3 电机的选择电机的选择 电机的主要作用是调整激光笔的位置 指向点光源 可选取的类型如下方案 方案一 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 方案二 直流减速电机 此电机在正常通电状态下 转速平稳 角度的变化也近乎连续 控制简单方便 根据设计的要求可知 步进电机存在的明显缺陷是角度变化的局限性 控制相对直流减 速电机而言也复杂 直流减速电机除角度连续变化外 转速平稳 容易控制 因而选用第二 种方案 4 4 4 4 点电源的供电方案点电源的供电方案 根据题目要求 为产生 150mA 350mA 的 LED 驱动电流 采用亮度驱动芯片 TPS61062 调试发现 电流不能够满足要求 最终决定在此基础上添加大功率三级管放大 经测试可行 3 5 5 5 5 总方案的确定总方案的确定 综上 本系统最终以 LM3S811 作为控制器 用可见光照传感器做检测元件 通过控制 直流减速电动机来使激光笔指向点光源 M C U Cortex M3 直流减速电机的 控 制 水 平 方 向 的 电 机 垂 直 方 向 的 电 机 LED驱动显示模块 光源检测 传感 器 检 测 电 路 电 流 管 理 检 测 模 块 光 源 图 1系统方框图 二 理论分析及计算二 理论分析及计算 1 1 1 1 点光源特性分析 点光源特性分析 根据题目中的要求 可以将点光源的运动分为沿圆周移动和沿其他任意方向移动两种形 式 空间中的任何一点可以用惟一的参量来表示 根据运动轨迹的不同 选择不同的坐标参 量 具体如下 a 沿圆周移动点光源 此类运动趋势的点光源设定为第一类点光源 对于第一类光源 我们采用柱面坐标来处 理 由于运动圆周的半径和点光源的高度都以固定 因此确定点光源的位置或变化趋势可归 结于求取单一变量 水平面的角度或其变化量 b 沿其他任意方向移动的点光源 此类运动趋势的点光源设定为第二类点光源 对于第二类光源 我们采用极坐标来处理 因为点光源的指向问题与径长的值不相关 所以点光源位置的确定可通过求解仰角和水平面 角度及其变化 根据以上分析 可以将追踪点光源的位置问题转化为求解水平角度或仰角与水平角度的 相关问题 降低了任务的复杂性 目标明确 4 2 2 2 2 传感器布局分析与计算传感器布局分析与计算 根据第一 二类点光源的特性及光照亮度来追踪光源的原理 依据简易 精确控制与节 约资源的原则 本设计采用四路照度检测通道 其中 两路检测元件水平排布用于水平面定 位 布局相对对称 另两路左右检测元件与激光笔平行 用于竖直定位 点光源的移动可分解为水平移动和竖直移动 水平布局的中心传感器应用于精确定位光 源的水平位置 水平方向两边的传感器主要用来检测光源的水平位置或水平移动方向 以便 及时通知控制器调整指示笔的水平指向 考虑到能够快速的检测到光源的水平方向上的移动 及移动的具体方向 设定最小识别光源距离为 10cm 此偏差的解决方法见光照分析 此时 传感器的理想分布如下图所示 水平方向两路传感器与中间的夹角 计算如下 2 360 173 10arctan r 其 中 r 为传感器距离圆心的距离 由实际可知 r 值相对比较小 近似计算 2 360 173 10arctan 可 得 33 根据实际调试的情况 选取 5左 右 竖直方向的布局分析与上述情况相 同 图 2传感器布局分析图 此外 考虑到外界强光的影响 在传感器的前端加黑色圆筒处理 实践证明 这样的处 理能够有效地避免外界干扰 达到更良好的控制 3 3 3 3 光照度分析光照度分析 根据可见光照度传感器的物理结构特征 内置敏感元接收器 适宜用光照度来分析 照 度指物体被照亮的程度 采用单位面积所接受的光通量来表示 一般的点光源的特点是能以 4 立体角向周围空间发出相同发光强度的光辐射 而本设 计采用的点光源在此基础上增加了有聚光作用的灯罩 所以周围的光照强度分布并不均匀 变化趋势为中间向两边递减 但在中间的一段可以近似相等 这也是精确指示光源的难点之 一 对光照相等的区域做如下分析 假设面元 ds 受点光源 S 的光照 设点光源 S 至面元 ds 距离为 r 并且点光源发出的元 光束的光轴与面元的法线 N 之间的夹角为 则面元上的照度如下 2 cos E r I ds d 对相邻面元的光照分析与计算下 5 易知 中间光照近似相等的区域很小 则 就水平方向而言 当且仅当 21 rr 时 两个传感器的光照亮度 21 EE 此时点光源位于两传感器中间位置 因为竖 直方向与水平方向的分布相同 当 43 EE 时 点光源位于竖直传感器中间 设置激光 笔的位置在竖直传感器的中间 当水平与竖 直方向同时满足条件时 激光笔将准确定位 在光源中心处 图 3光照度分析图 三 三 系统单元电路设计系统单元电路设计 检测电路 传感器检测光照后 输出的模拟量经过限幅 采样保持处理后接入 AD 通道 10k GND VCC 5V ON9658 1K 1N5408 GND VCC 3 3V 1N54080 1uF C083I VCC GND AD 图 4检测电路 点光源电流控制电路 选取 LED 亮度控制器 输出电流经大功率三极管后 接入负载 1 GND 2 EN 3 ILED 4 FB 5 PGND 6 SW 7 OUT 8 VIN TPS61062 VCC GND GND 1 5 R1 Res1 GND Q1 D882 12 R2 Res2 1uf C1 Cap 1uf C2 Cap GND 10mH L1 Inductor 图 5点光源电流控制电路 6 显示 按键电路 由 7279 构成的显示 按键电路 DIG018 DIG119 DIG220 DIG321 DIG422 DIG523 DIG624 DIG725 SG 10 SF 11 SE 12 SD 13 SC 14 SB 15 SA 16 DP 17 VSS 4 VDD 1 VDD 2 RC 27 CLKO 26 RESET 28 CS 6 CLK 7 DATA 8 KEY 9 U1 HD7279A COM1 1 F 2 G 3 E 4 D 5 COM2 6 DP 7 C 8 B 9 A 10 DIG2 DIG LED COM1 1 F 2 G 3 E 4 D 5 COM2 6 DP 7 C 8 B 9 A 10 DIG3 DIG LED COM1 1 F 2 G 3 E 4 D 5 COM2 6 DP 7 C 8 B 9 A 10 DIG4 DIG LED COM1 1 F 2 G 3 E 4 D 5 COM2 6 DP 7 C 8 B 9 A 10 DIG1 DIG LED 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R10 100K S1S5S3 S2S4S6 R2 200 R3 200 R4 200 R5 200 R6 200 R7 200 R8 200 R9 200 P A B C D E F G P A B C D E F G DP SA SB SC SD SE SF SG DIG3 SF SG SE SD SA SB SC DIG3 DP DIG2 SF SG SE SD SA SB SC DP DIG2 DIG1 SF SG SE SD SA SB SC DP DIG1 DIG0 SF SG SE SD SA SB SC DP DIG0 DIG3 DIG2 DIG1 DIG0 P A B C D E F G R11 10K R1210K DIG1 DIG0 SA SB SC SA SB SC VCC R1 1 5K C1 15p CLK DATA INT 1 2 3 4 5 J1 5 PIN INT DATA CLK VCC 图 6显示 按键电路 电机驱动电路 采用电机驱动芯片 L298 控制电机 图 7电机驱动电路 7 四 程序设计流程程序设计流程 程序描述 初始化部分 控制器配置 程序主体部分包括 光照度检测 数据处理 状态分析 控制执行机构并循环 控制系统上电后 如果不按按键 K1 那么 控制系统会进入到检测状态 在检测状态 中 系统会每个一段时间分别显示出 4 路传 感器的测量值 也可以通过按按键 K4 K5 K6 来实现向上 向下 向左 向右四个方 向的调节 如果按按键 K1 会启动系统自 动寻找点光源 此时 可以移动点光源的位 置 或者移动激光笔的指示位置 经过一段 后 系统会自动调节使得激光笔的指示位置 与点光源的位置接近 从而达到对点光源的 自动跟踪效果 图 8程序设计流程图 五 五 测试方案与结果测试方案与结果 1 1 1 1 测试方法与过程测试方法与过程 由理论分析可知 本系统对传感器的精度要求比较高 主要就是微调传感器的角度 测试前的准备 先给点光源通电 调整点光源的电流值 达到规定范围内 然后在给其余设备供电后系 统直接进入检测传感器是否能够正常工作状态 然后 手动使激光笔对准光源 查看四个传 感器的光照的测量情况 主要是使水平方向的两个传感器的测量值相对接近 竖直方向的两 个传感器的测量值也相对接近 并且微调指示台 传感器的测量值有显著地变化 接着按启 动按键 就可以测试 测试方法 在测试前的准备工作结束后 先让其自动运行 在自动找到点光源 并且激光笔正确指 示后 沿任意方向调整光源 观测结果 2 2 2 2 测试仪器及材料测试仪器及材料 直流稳压电源数字万用表点光源支架 3 3 3 3 测试结果及拓展部分测试结果及拓展部分 点光源位置不变 移动激光笔的指示位置 测量数据如下表 表 1 点光源位置不变的测量数据 测量次数12345 测量偏差 cm 1 02 40 92 31 9 测量次数678910 测量偏差 cm 3 42 71 11 71 2 8 点光源沿圆周运动 测量数据如下表 表 2 点光源沿圆周运动的测量数据 测量次数12345 测量偏差 cm 1 32 51 92 41 0 测量次数678910 测量偏差 cm 2 83 62 11 41 9 点光源沿直线 LM 运动 测量数据如下表 表 3 点光源沿直线 LM 运动的测量数据 测量次数12345 测量偏差 cm 2 82 91 91 32 3 测量次数678910 测量偏差 cm 1 82 02 53 02 3 点光源在激光笔支架前的一定空间范围内运动 测量数据如下表 表 4 点光源在一定空间范围内运动的测量数据 测量次数12345 测量偏差 cm 0 71 32 11 70 5 测量次数678910 测量偏差 cm 2 61 63 02 91 1 经过反