點光源跟蹤系統(tǒng)（題目）一、任務(wù)設(shè)計并制作一個能夠檢測并指示點光源位置的光源跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。光源B使用單只1W白光LED，固定在一支架上。LED的電流能夠在150350MA的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。初始狀態(tài)下光源中心線與支架間的夾角約為60，光源距地面高約100CM，支架可以用手動方式沿著以A為圓心、半徑R約173CM的圓周在不大于45的范圍內(nèi)移動，也可以沿直線LM移動。在光源后3CM距離內(nèi)、光源中心線垂直平面上設(shè)置一直徑不小于60CM暗色紙板。光源跟蹤系統(tǒng)A放置在地面，通過使用光敏器件檢測光照強度判斷光源的位置，并以激光筆指示光源的位置。圖1光源跟蹤系統(tǒng)示意圖二、要求1基本要求（1）光源跟蹤系統(tǒng)中的指向激光筆可以通過現(xiàn)場設(shè)置參數(shù)的方法盡快指向點光源；（2）將激光筆光點調(diào)偏離點光源中心30CM時，激光筆能夠盡快指向點光源；（3）在激光筆基本對準光源時，以A為圓心，將光源支架沿著圓周緩慢（1015秒內(nèi)）平穩(wěn)移動20（約60CM），激光筆能夠連續(xù)跟蹤指向LED點光源；2發(fā)揮部分（1）在激光筆基本對準光源時，將光源支架沿著直線LM平穩(wěn)緩慢（15秒內(nèi)）移動60CM，激光筆能夠連續(xù)跟蹤指向光源。（2）將光源支架旋轉(zhuǎn)一個角度（20），激光筆能夠迅速指向光源。（3）光源跟蹤系統(tǒng)檢測光源具有自適應(yīng)性，改變點光源的亮度時（LED驅(qū)動電流變化50MA），能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)揮部分（1）的內(nèi)容；（4）其他。三、說明1作為光源的LED的電流應(yīng)該能夠調(diào)整并可測量；2測試現(xiàn)場為正常室內(nèi)光照，跟蹤系統(tǒng)A不正對直射陽光和強光源；3系統(tǒng)測光部件應(yīng)該包含在光源跟蹤系統(tǒng)A中；4光源跟蹤系統(tǒng)在尋找跟蹤點光源的過程中，不得人為干預(yù)光源跟蹤系統(tǒng)的工作；5除發(fā)揮部分（3）項目外，點光源的電流應(yīng)為30015MA；6在進行發(fā)揮部分（3）項測試時，不得改變光源跟蹤系統(tǒng)的電路參數(shù)或工作模式；點光源跟蹤系統(tǒng)（報告）摘要本方案所涉及的點光源跟蹤系統(tǒng)采用光敏三級管來檢測點光源，并且利用比較比較器來判斷電壓高低，從而獲知各個光敏傳感器接收到的光的強弱來判斷點光源的位置。然后通過兩個298直流電機分別控制裝有紅外線激光筆所在的圓盤進行水平、垂直方向的移動。而點光源采用的是單只1W白光LED，以A為圓心、半徑R約173CM的圓周在不大于45的范圍內(nèi)移動。關(guān)鍵詞步進電機光敏三極管LED點光源ABSTRACTTHEPROGRAMINVOLVESAPOINTSOURCETRACKINGSYSTEMUSESTHREETUBESTODETECTLIGHTSENSITIVEPOINTLIGHTSOURCE,ANDUSEMOREVOLTAGECOMPARATORTODETERMINETHELEVELOFLIGHTSENSORSTOLEARNALLTHESTRENGTHOFTHERECEIVEDLIGHTTODETERMINETHEPOINTSOURCEPOSITIONTHENTWO298DCMOTORCONTROLWITHINFRAREDLASERPOINTER,RESPECTIVELY,WHERETHEDISCHORIZONTALANDVERTICALMOVEMENTTHELIGHTSOURCEISUSEDINSINGLE1WWHITELED,WITHAASTHECENTER,ABOUT173CMCIRCUMFERENCEOFRADIUSRISNOTGREATERTHAN45INTHERANGEOFMOVEMENTKEYWORDSDCMOTORPHOTOTRANSISTOR298LEDLIGHTSOURCE目錄一、方案設(shè)計與論證11題目解析0112方案討論02二、理論分析與計算21系統(tǒng)的整體設(shè)計22功能模塊的設(shè)計三、硬件設(shè)計31系統(tǒng)的整體設(shè)計32功能模塊的設(shè)計四、軟件設(shè)計41系統(tǒng)的整體設(shè)計42功能模塊設(shè)計五、系統(tǒng)的組裝與調(diào)試51整體結(jié)構(gòu)布局與工藝圖52系統(tǒng)調(diào)試53測試結(jié)果及分析附錄一附錄二一、方案論證11題目解析方案設(shè)計主要分為兩塊點光源B、光源跟蹤系統(tǒng)A。首先，光源B使用固定在一支架上的只1W白光LED，其流能夠在150350MA的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。初始狀態(tài)下光源中心線與支架間的夾角約為60，光源距地面高約100CM，支架可以用手動方式沿著以A為圓心、半徑R約173CM的圓周在不大于45的范圍內(nèi)移動，也可以沿直線LM移動。在光源后3CM距離內(nèi)、光源中心線垂直平面上設(shè)置一直徑不小于60CM暗色紙板。光源跟蹤系統(tǒng)A放置在地面，通過使用光敏器件檢測光照強度判斷光源的位置，并以激光筆指示光源的位置。如圖所示根據(jù)題目所知，該系統(tǒng)必須具有對光強度進行識別、判斷以及根據(jù)判斷后的信息進行轉(zhuǎn)向，將激光束指向點光源這幾大功能。12方案討論方案一使用430單片機來控制兩個步進電機轉(zhuǎn)動，并使用AD來判斷光敏傳感器輸出電壓大小，并進行比較最后確定光源位置并轉(zhuǎn)動。方案二使用51單片機來控制兩個步進電機轉(zhuǎn)動，并使用AD來比較光敏傳感器輸出電壓的大小，比較后使電機轉(zhuǎn)動找到點光源的位置。方案三使用51單片機來控制兩個直流電機轉(zhuǎn)動來帶動兩個轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，使用比較器來判斷光敏傳感器輸出電壓的大小，并且確定點光源的位置后靠兩電機轉(zhuǎn)動來調(diào)整位置。相比于430單片機，51單片機編程更加簡單并且利于理解。LM258組成的比較器與AD相比，結(jié)構(gòu)更加簡單、穩(wěn)定，易于控制且成本更低。相比于步進電機，直流電機更加易于控制，且轉(zhuǎn)動更加靈活。光敏傳感器分為光敏二極管、三極管，光敏電阻三類。其中光敏電阻相對于光敏二極管、三極管準確度稍低，而光敏二極管不如光敏三極管靈敏，所以最終選用光敏三極管。所以，最終方案是采用51單片機來控制兩個直流電機298轉(zhuǎn)動。且選用光敏三極管作為光敏傳感器，通過四個LM258組成的比較器來分別判定兩兩相鄰的兩個傳感器輸出電壓的大小。二、硬件設(shè)計21系統(tǒng)的整體設(shè)計原理框圖光敏三極管接受光照，電壓變化三極管放大四個光敏模塊分別輸出電壓，兩兩相鄰的由一個比較器進行比較經(jīng)過比較器發(fā)送出分別發(fā)出高低電平信號由單片機處理電平信號后，發(fā)出指令給兩個電機電機轉(zhuǎn)動，紅外線指向點光源22功能模塊的設(shè)計一、步進電機轉(zhuǎn)動模塊主要由兩個轉(zhuǎn)盤組成，底座上的轉(zhuǎn)盤與水平面平行，由電機控制著順時針（逆時針）轉(zhuǎn)動。而探頭裝在另一個轉(zhuǎn)盤，該轉(zhuǎn)盤由電機控制著在垂直水平面地方向上做半圓周運動。其中，電機選用的是L298N步進電機，它內(nèi)部包含四通道邏輯驅(qū)動電路步進電機正轉(zhuǎn)脈沖分配表P00P01P02P03步數(shù)AB/A/B11100201103001141001步進電機反轉(zhuǎn)脈沖分配表P00P01P02P03步數(shù)AB/A/B11100210013001140110兩電機與L298N的連接電路圖5314118M12V5V二、光敏傳感器模塊選用光敏三極管作為光敏傳感器，制作四個小模塊，兩兩對稱分布在第二個圓盤上。該模塊電路圖如下三、比較器模塊在這一功能塊里我們使用了LM258和LM311兩種運放來制作比較器部分，來判斷兩兩對稱的光敏模塊的輸出電壓大小左圖分別為LM311和LM258的管腳圖。左圖為比較器的電路圖并且因為每個光敏三極管在相同光強下輸出的電壓值會有所不同，所以在光敏傳感器模塊輸出到比較器部分之前還需要利用電位器調(diào)節(jié)使得兩者在相同光照強度下輸出電壓相同。四、單片機模塊三、軟件設(shè)計31系統(tǒng)的整體設(shè)計原理框圖如下分別判斷上下左右的四個光敏模塊輸出電壓通過比較器后輸出的是否為高電平否向上轉(zhuǎn)向左轉(zhuǎn)向下轉(zhuǎn)向右轉(zhuǎn)是開始，初始化四、系統(tǒng)組裝與調(diào)試41整體結(jié)構(gòu)布局與工藝圖整體構(gòu)架簡圖上圓盤光敏模塊分布圖圖中長方形即為光敏模塊電路圖42系統(tǒng)調(diào)試一、在相同光照強度下光敏模塊輸出電壓的調(diào)試將兩兩相對的光敏模塊置于相同光強下，用示波器探頭連接輸出端，觀察輸出電壓，并用電位器調(diào)節(jié)至一致。二、紅外線探頭的調(diào)試四個光敏模塊調(diào)節(jié)好之后，在上圓盤上完全安裝好之后。開啟整個系統(tǒng)，在系統(tǒng)轉(zhuǎn)動至面向點光源并穩(wěn)定時，停止系統(tǒng)，找準紅外線光束對準的位置，并安裝好紅外線探頭。三、轉(zhuǎn)動速度的調(diào)試根據(jù)上下兩圓盤的轉(zhuǎn)動情況，對程序進行修改，確定合適的轉(zhuǎn)速。43測試結(jié)果及分析一、光敏傳感器模塊所偏角度為裝有四個光敏傳感器模塊的轉(zhuǎn)盤相對于點光源的偏轉(zhuǎn)角度。測量工具為萬用表。輸出電壓值/V左偏90左偏60左偏30正對光源右偏30右偏60右偏90模塊1（上）001181296433295180001模塊2（下）000180295431298182002模塊3（左）002102278432321210000模塊4（右）000203312433280203001輸出電壓值/V上偏90上偏60上偏30正對光源下偏30下偏60下偏90模塊1（上）001433001模塊2（下）000431000模塊3（左）0021822954322001模塊4（右）001181294433O02三、比較器輸出電平與轉(zhuǎn)向高電平低電平比較器1（左右）向左轉(zhuǎn)向右轉(zhuǎn)比較器2（上下）向上轉(zhuǎn)向下轉(zhuǎn)激光筆所指的位置在離點光源5CM的范圍內(nèi)。三、該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能（1）光源跟蹤系統(tǒng)中的指向激光筆可以通過現(xiàn)場設(shè)置參數(shù)的方法盡快指向點光源；（2）將激光筆光點調(diào)偏離點光源中心30CM時，激光筆能夠盡快指向點光源；（3）在激光筆基本對準光源時，以A為圓心，將光源支架沿著圓周緩慢（1015秒內(nèi)）平穩(wěn)移動20（約60CM），激光筆能夠連續(xù)跟蹤指向LED點光源。附錄一元件型號/大小數(shù)量木質(zhì)圓盤2直流電機2紅外探頭189C52單片機1LM298芯片2光敏三極管4附錄二所有程序INCLUDESBITIN0P10SBITIN1P11SBITIN2P12SBITIN3P13SBITIN4P14SBITIN5P15SBITIN6P16SBITIN7P17SBITUPDOWNP20SBITLEFTRIGHTP21VOIDDELAY1UNSIGNEDINTI/05MS,步進電機延時用WHILEIVOIDLEFTRIGHT1CHARA/左轉(zhuǎn)UNSIGNEDCHARIFORI0IAIIN01IN10IN20IN30DELAY1500IN00IN11IN20IN30DELAY1500IN00IN10IN21IN30DELAY1500IN00IN10IN20IN31DELAY1500VOIDLEFTRIGHT2CHARA/右轉(zhuǎn)UNSIGNEDCHARIFORI0IAIIN00IN10IN20IN31DELAY1500IN00IN10IN21IN30DELAY1500IN00IN11IN20IN30DELAY1500IN01IN10IN20IN30DELAY1500VOIDUPDOWN1CHARA/上轉(zhuǎn)UNSIGNEDCHARIFORI0IAIIN41IN50IN60IN70DELAY12000IN40IN51IN60IN70DELAY12000IN40IN50IN61IN70DELAY12000IN40IN50IN60IN71DELAY12000VOIDUPDOWN2CHARA/下轉(zhuǎn)