點光源跟蹤系統(tǒng)

1、點光源跟蹤系統(tǒng)（B題）摘要：本系統(tǒng)以STM32單片機作為控制處理核心，設計并制作了一個能夠檢測并指示點光源位置的光源跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主電路主要由傳感器模塊、步進電機驅動模塊、液晶顯示模塊和電源模塊組成，將光敏三極管、光敏電阻、激光筆與步進電機固定，利用光敏三極管和光敏電阻檢測光照強度判斷光源位置，控制步進電機轉動來調整傳感器和激光筆的轉動角度，從而跟隨點光源的移動而轉動，準確跟蹤點光源。本系統(tǒng)還具有人機交換界面，各參數及測試模式可由鍵盤輸入并顯示，智能性好，反應速度快，最終完成了題目的所有基本指標及全部發(fā)揮部分的要求。關鍵詞：STM32；光敏三極管；光敏電阻；光源跟蹤一、 系統(tǒng)方案1.1 整

2、體方案描述本系統(tǒng)由點光源和光源跟蹤模塊兩大部分構成，以STM32單片機為控制核心實現(xiàn)了點光源識別、點光源跟蹤、模式設定、液晶顯示及激光筆精確指示等功能。光源由功率LED組成，通過改變回路中滑動變阻器的阻值大小，來改變功率LED電流的大小，使電流能在150mA350mA的范圍內調節(jié)。光源跟蹤模塊由STM32單片機、步進電機、傳感器電路、激光筆組成。當點光源移動時，傳感器電路的光敏三極管和光敏電阻檢測到點光源強度發(fā)生改變，通過STM32單片機AD采樣處理，控制步進電機的轉動，使激光筆始終指向點光源中心，即達到點光源跟蹤的目的。本系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)總體結構框圖1.2 方案比較與選

3、擇1.1.1 光源檢測方案選擇方案一：由光敏元件檢測中心線處的光源強度，實現(xiàn)光電轉換，通過AD采樣，檢測電壓的變化，設計算法實現(xiàn)光源立體坐標的檢測。此方案運用軟硬結合的方法可以檢測出光強的微小變化，硬件電路和算法都比較簡單。方案二：硅光電池檢測中心線處的光源強度，實現(xiàn)光電轉換，通過電壓比較器檢測電壓的微小變化，處理過程基本由硬件完成，調試過程復雜。綜合上述比較，考慮到本系統(tǒng)抗干擾能力要求較高，采用光敏元件檢測，硬件結構簡單，環(huán)境適應性較強，故選擇方案一。1.1.2 傳感器選擇方案一:采用光敏電阻檢測點光源強度變化。光敏電阻是利用光的入射引起半導體電阻的變化來進行工作的，具有靈敏度高，光譜響應范

4、圍寬，重量輕，抗過載能力強以及耗散功率大等特點。方案二:采用光電二極管檢測點光源強度變化。光敏二極管的優(yōu)點是線性好，響應速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低，小型輕量以及耐振動與沖擊等；缺點是輸出電流小。方案三:采用光電三極管檢測點光源強度變化。光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。綜合上述比較，考慮到本設計采用五路傳感器檢測，中路傳感器要求靈敏度高且小型輕量，故選擇光敏電阻；旁路傳感器要求輸出電流大，靈

5、敏度高，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，故選擇光敏三極管和光敏電阻。因此，傳感器最終采用方案一和方案三相結合的方式。1.1.3 控制電機的選擇方案一：采用直流減速電機控制激光筆。直流減速電機節(jié)省空間、可靠耐用、調速范圍大等優(yōu)點。但直流電機控制精度差，不能精確控制的所轉的角度。方案二：采用舵機驅動。舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，具有良好的速度控制特性，減速效率可達90%以上，但是舵機的誤差最小為0.18度。方案三：采用兩相四線步進電機驅動。兩相四線步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件，有較好的位置精度和運動的重復性，優(yōu)秀的啟停和反轉效

6、應，速度正比于脈沖頻率，因而有較高的轉速范圍。同時，采用具有細分功能的驅動電路驅動，精度可高達25600步數/轉，誤差最小為0.00004度。綜合上述比較，考慮本設計要求激光筆精準指向點光源中心，且激光筆與點光源距離達2米，精度要求極高，故選擇方案三。二、 理論分析與計算2.1兩相四線步進電機的精度分析與計算根據題目要求，激光筆光點應能指向LED的中心，LED的直徑大約為5mm,按題意激光筆指示器與LED的水平距離約173cm，支架高約100cm，故LED與光點距離約為200cm。本設計方案采用具有細分功能的驅動電路驅動步進電機轉動，細分精度為3200步/轉，每步進旋轉角度為0.1125

7、76;，相當于激光筆在暗黑紙板上運動約3.9mm，完全可滿足本題目所要求的控制精度。兩相四線步進電機驅動模塊通過三個撥碼開關設定細分精度，細分設定功能如表1所示。表1：步進電機細分設定細分1248163264128步數/轉2004008001600320064001280025600開關一ONOFFONOFFONOFFONOFF開關二ONONOFFOFFONONOFFOFF開關三ONONONONOFFOFFOFFOFF2.2 光強信號采集環(huán)節(jié)設計精度分析與計算STM32單片機內置有12位的A/D器件，可以采用內部或外部的參考電壓。本系統(tǒng)采用STM32單片機內置A/D器件，選擇內部3.3V的參考

8、電壓，所以輸入的最大模擬信號幅度為3.3V，最小的分辨率約為0.8mV，完全可滿足題目要求。2.3 功率LED電流調節(jié)LED的亮度取決于流過的電流，因此調節(jié)LED電流可以改變LED的光強。本實驗中采用大功率LED，該LED可以承受的最大電流為500mA，完全滿足LED電流的調節(jié)要求，并且有適當的電流余量。在電源電壓為5V時，點光源電路串接12歐的固定功率電阻和33歐的可調電阻，即可實現(xiàn)光源LED的電流能夠在150mA350mA的范圍內調節(jié)。光源LED最大電流Imax和最小電流Imin計算如下：Imax=5V12416.7mA Imin=5V(12+33)111.1mA 三、 電路與程序設計3.

9、1 電路設計3.1.1 點光源模塊點光源模塊選用額定功率為1W的功率LED，采用5V穩(wěn)壓供電，在點光源電路串接12歐的固定功率電阻和33歐的可調電阻，即可實現(xiàn)光源LED的電流能夠在150mA350mA的范圍內調節(jié)，點光源模塊如圖2所示。圖2 點光源模塊3.1.2 傳感器模塊 本設計采用五路傳感器檢測，結合兩路光電三極管和三路光敏電阻，將光照強度轉化為電壓值，經過截止頻率為10Hz的低通濾波器濾除干擾信號，再由單片機AD采集及數據處理，準確判斷點光源位置，快速跟蹤點光源。中路傳感器采用光敏電阻，置于10cm長黑色細管一端，準確判斷光強最大點位置（即點光源位置）。旁路采用兩路光敏三極管和兩路光敏電

10、阻相結合的方式輔助判斷光強變化情況，從而精確控制步進電機運動，使激光筆精準指向點光源中心。 傳感器模型及模塊電路如圖3、4所示。圖3 傳感器模型圖4 傳感器模塊電路3.1.3 步進電機驅動模塊本設計方案采用具有細分功能的兩相四線步進電機驅動電路驅動步進電機轉動，設計細分精度為3200步/轉，每步進旋轉角度為0.1125°，相當于激光筆在暗黑紙板上運動約3.9mm，完全可滿足本題目所要求的控制精度。步進電機驅動模塊具體電路如圖5所示。圖5 步進電機驅動模塊3.2 程序設計系統(tǒng)主程序流程圖如下圖6所示。圖6 主程序流程圖四、 測試方案與測試結果4.1 測量工具，如表2所示表2 測量工具測

11、量儀器型號直流穩(wěn)壓電源SG1732示波器LDS21010萬用表UT50A秒表、三角板、直尺4.2 測試方法及結果表3 激光筆調離點光源中心后重新指向點光源所需時間及偏離誤差激光筆光點調離點光源中心的距離測試次數所需時間（平均）偏離誤差（平均）20cm502.3S4mm25cm502.9S4mm30cm503.5S5mm表4 將光源支架沿著圓周緩慢旋轉一定角度，激光筆重新移向光源所需時間及偏離誤差移動角度測試次數所需時間（平均）偏離誤差（平均）10度503.8s6mm15度504.1s7mm20度504.9s6mm表5 光源支架旋轉角度，激光筆重新移向光源所需時間及偏離誤差移動角度測試次數所需時

12、間（平均）偏離誤差（平均）10度501.0s4mm15度501.3s5mm20度501.6s8mm表6 光源支架沿著直線LM緩慢移動60cm時，激光筆指向光源所需時間及偏離誤差LED電流測試次數所需時間偏離誤差250mA508.3s25mm275mA507.1s22mm300mA507.2s18mm325mA507.6s16mm350mA506.8s15mm五、總結本光源跟蹤系統(tǒng)以STM32單片機作為控制處理核心，實現(xiàn)了點光源的位置檢測和跟蹤指示。采用五路傳感器檢測電路檢測光強信息，經單片機AD采集處理，準確判斷點光源位置，控制步進電機轉動的角度及方向，快速跟蹤點光源，并通過激光筆來指示點光源位置。當移動激光筆光點偏離點光源時，傳感器能夠快速調整方向使光點重新指向點光源；對于不同的LED亮度，移動光源支架，傳感器能緩慢跟蹤點光源轉動；轉動光源支架使紙板旋轉一定角度，傳感器也能檢測到光照強度的變化并跟蹤點光源轉動，最終使激光筆光點基本對準點光源。整個設計出色的完成了題目的所有基本指標及全部發(fā)揮部分的要求。在此感謝