点光源随动系统.doc

电光源随动系统设计报告 队员 高鹏（电气一班） 李文剑（电科二班） 顾建波（电气一班） 指导老师 刘义艳（电气系） 7 月 15日至 7月 25 日 共 10 天摘要：本设计中的点光源随动系统以C52系列单片机为控制核心，采集光敏电阻受光的信息，然后控制步进电机进行定位指向，其中光敏电阻对称排列，中心放置指向激光灯。首先将激光灯对准光源，采集光敏电阻分压值，通过AD转换将转换的数字值作为基准值存入单片机；之后连续采集光敏电阻分压值，通过AD转换，将所得数字值与基准值做比较，进而分别驱动两个步进电机进行水平和竖直的调整，从而使激光灯正指光源。关键词：随动系统 步进电机 光源跟踪 目 录一. 总体方案设计3二系统方案选择与论证32.1光源检测传感元件的选择32.2光源检测方案选择42.3传感器布局选择424控制电机的选择525芯片的选择5三、单元电路设计53.1步进电机控制53.2光源检测传感电路63.3 ADC0809转换电路7四、软件设计7五、系统分析与总结9六、参考文献9七、附录10附录一 各电路电路图10一、总体方案设计本点光源跟踪系统以80C52单片机为控制核心，并同时以激光对准方式瞄准光源，实现光源追踪指向等功能。以ULN2003作为步进电机的驱动，用两个步进电机分别控制横轴与纵轴方向的角度，总体系统功能框图如图1所示。5v稳压电流源C52单片机开发板3.8v降压模块激光笔指向光源传感器检测电路LED光源步进电机模块12v升压模块总体方案设计图（图1）二、系统方案选择与论证21光源检测传感元件的选择各种常用的光敏元件的比较：光敏二极管：当有光照时导通，无光照时截止，电压曲线特性相对平稳，灵敏度较好，但是容易受外界光线的干扰。红外接收管：只能接收红外光线，方向性较差，电压线性度差，但受外界干扰较小。光控晶闸管：只有在足够的光源照射管子的受光窗口，就立即成为通导状态，而后即使撤离光源也能维持导通，不易受外界干扰，灵敏度差，而且与电压呈非线性。光敏电阻：纯阻性元件，当光照强度不同，电阻两端电压也会不同，与电压呈现出良好的线性度，且灵敏度高，但比较容易受外界干扰。综合以上器件考虑，本系统要求光源与探测点2m左右距离，并采用功率为3w的led灯作为光源，因而对器件的灵敏度要求很高，考虑到后级运用AD采样输入给单片机，通过软件处理，对激光笔的空间指向进行调整，所以，该光敏元件应具有良好的线性度，最终选择光敏电阻作为传感元件。22光源检测方案选择方案一：通过电压比较器，将接有光敏电阻的输入端与基准电压输入端相比较，当光照强度变大时光敏电阻阻值会变小，从而使运放输出低电平，当光照强度变弱时光敏电阻阻值会变大，从而使运放输出高电平。将采集的高低电平输入给单片机，给步进电机做出相应的调整。方案二：将每两个光敏电阻串联，单电源输入电压V1，另一端接地，把两光敏电阻的中间导线作为单片机的输入端。根据光照强度的不同，单片机的输入电压幅值将会不同：当两光敏电阻同时正对光源时，此时输入单片机的电压应为参考电压（理想环境V2=（1/2）V1），此时单片机不做处理，否则，依据电压是否大于或小于参考电压对步进电机做出相应的处理。方案三：将每两个光敏电阻串联，单电源输入电压V1，另一端接地，把两光敏电阻的中间导线作为单片机的输入端。先将激光头对准光源，采集输入端分压值，通过AD转换输入单片机作为基准值；之后采集输入端的分压值与基准值做比较，依据电压是否大于或小于参考电压对步进电机做出相应的处理。 综合以上方案，方案一中当电路所需要的传感器需要很多，连接电路将较复杂、不易调试，且msp430要求的输入量不能大于2.5v，而比较器的输出的高电平大于2.5v，电压过高。方案二理想环境V2=（1/2）V1很难实现，且两个光敏电阻性能并不是理想一样。方案二电路简单，灵敏度好。且基准值可为任意值，抗干扰能力强，选择方案三。23传感器布局选择方案一：在圆盘上对称放置光敏电阻，通过单片机比较各路信号大小，确定最大信号电压，大致确定其方位。该方案能够进行点光源的定位。但是该方案存在很大误差，不能够精确定位点光源，而且调节范围只能局限于单一平面。不能在空间内进行调节。方案二：圆盘上有四个传感器，中间是激光笔，并用圆纸筒围住且向外伸出一段距离，当激光与光照稍有偏移，导致紧贴在四周的光敏电阻上的电压发生变化，实现了微调功能，由于在圆纸筒的上下两处也分别装上了传感器，可以向单片传送模拟信号来实现了激光笔横向、纵向角度的调节，可以实现空间调节。 激光笔传感元 件 方案一方案二综合方案一和方案二，方案二检测精度高，且可以实现激光笔三维移动，易于控制，能减少环境因素影响，满足题目要求，因为选用方案二作为传感器布局。24控制电机的选择方案一：直流电动机。直流电动机有良好的起动特性，易平滑调速,承受过载能力高, 具有很大的转动力矩，能耗低,减速机效率高达95%以上，振动小。但转动幅度大，难以控制，因而控制的精确度不高。不能达到题目的要求。方案二：步进电动机。步进电动机有较好的位置精度和运动的重复性，承受负载能力高，具有良好的启停、翻转响应并且有比较宽的转速范围。综合以上两种方案，步进电机控制性好，有良好的位置精度，运行平稳且价格较低，适合精确寻光源。因而控制电机选择步进电动机。25芯片的选择该系统的设计使用了五个芯片分别是 80C52单片机、ADC0809芯片，HB01降压芯片，TY1028升压芯片及ULN2003电机驱动。三、单元电路设计3.1步进电机控制电路由于题目要求的调节范围较大，激光笔能够连续跟踪指向光源，因此，对步进电机的步进角度与角速度有所选取，采用四相四拍电动机，步进电机最小转动角度为0.18度，可以达到要求，采用TI公司芯片ULN2003作为步进电机驱动，四个输入用单片机控制其高低电平从而改变步进电机的转动状态。本电路用两个步进电机分别控制激光笔纵、横转动方向，ULN2003 工作电压高，工作电流大，可以驱动大电流的步进电机。位置控制精确，有良好的启停、反转效应，可以实现准确定位，详细电路如图2所示。图2 步进电机驱动电路 3.2光源检测传感电路在光源检测电路中，采用4个光敏电阻，它的线性度良好，每两个光敏电阻串联，并联二组，将每组两光敏电阻中间连线与单片机相连接，以激光笔为中心，分别对称安放在上下，左右四个方向，其中通过0809AD进行两通道序列采集信号，将转换信号输入单片机内部。光明电阻两端加压为4.90v，即单片机采集到的电压变化范围是04.90v，我们取05v，通过单片机处理，精度为5/256=0.02，由于精度很小，易受外部环境干扰，且不能保证串联的两个光敏电阻参数完全一样，因而采用动态采集，即第一次采集手动用激光笔正对光源，将此时采集到的参数设为参考点，此后采集的参数都与该参考点相比较，同时我们设定的误差范围为在这个参考点的0.04v波动，电路如图3所示 如图3 3.3 ADC0809转换电路 ADC0809芯片以5v参考电压，可以分时序采集八路模拟信号，将其转换为数字量送给单片机，本设计只选用I0和I1两个端口分别采集水平和竖直两个方向光敏电阻的分压值，原理如图4图4四、软件设计软件部分采用C52单片机作为主控芯片，首先对目标光源亮度进行采集，通过ADC0809，将模拟量转换为数字量，并以此作为参考值，此后，单片机不断的对外部模拟量进行采集、转换。单片机循环比较采样值与参考值的大小，依据比较结果，使步进电机做出转动调整，最终确定激光笔的指向。流程图如图5开始初始化定时器，A/D等采集正对时竖直和水平A/D 信息作为标准电压并储存采集当前竖直电压，竖直电压-标准电压电机左转一周期差值2电机右转一周期差值 - 2采集当前水平电压，水平电压-标准电压电机上转一周期电机下转一周期|差值| 2|差值| 2启动定时器启动定时器，延时5S后警报停止定时器停止定时器停止定时器停止定时器差值2如图5五、系统分析与总结本设计很好的满足了题目要求，对光源的分辨力、动态范围及精度都做了较大的扩展。测试运行效果良好，达到了预期目的。特别是传感器件分压的比较方式更是我们的创新点。六、参考文献【1】华成英.模拟电子技术基本教程 第一版 清华大学出版社.2006【2】陈永真 宁武 蓝和慧编著.新编全国大学生电子设计竞赛试题精选.电子工业出版社.2009【3】黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛电路设计M.北京：北京航