光源自动跟踪系统设计报告1

题目 光源自动跟踪系统组别第三组姓名农世安、黄勇深、廖晓系（院） 信息工程系班 级11应用电子（3+2）指导教师龙祖连、倪杰、张存吉二 O 一二年 九 月 三 日光源自动跟踪系统要摘本设计以 TI 公司提供的 16 位超低功耗、高性能嵌入式微 控制器 MSP430 为核心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。循迹小车沿半径 r =80cm 的半圆黑色循 迹线（线宽20mm）自C点运动到D点，在D点停留5S后关 掉LED灯并自动返回C点，表示一天周期的结束。放置在地面 的光源跟踪系统， 通过运用光敏器件的检测、传感器、 AT89S52 单片机的强大功能及相关外围电路设计产生控制信号 传递给步进电机，使步进电机带动激光笔进行左、右等方向进 行光源的实时检测及精确的跟踪。本文着重讨论电机控制与光 源检测定位方法。关键字 光源 检测及跟踪 光敏器件 步进电机目录一、引言 4 任务与要求 4二、方案的选择与论证 51、微控制器模块的选择与论证 62 、光敏元器件的选择与论证 73 、电机的选择与论证 .84 、电机驱动模块的选择与论证 95 、显示模块的选择与论证 96 、方案确认 107、方案论证 .10三、系统总体设置 111 、系统硬件流程图 .112、系统软件流程图12四、系统单元设计 141、单片机最小系统142、电源电路153、黑白线检测模块164、电机驱动模块16五、系统总体测试17六、总结 17一、引言.任务与要求：设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的模拟光伏 发电太阳光自动跟踪系统，系统示意图如图 1所示。光源B使用单只1W白光LED （不得使用任何聚光装置），固定在一可调速循迹小车上，循迹小车沿半径 r =80cm的半圆黑色循迹线（线宽20mm）自C点运动到D点，在D点停留 5S 后关掉 LED 灯并自动返回 C 点，表示一天周期的结束。循迹小车的速度以自C点运动到D点的时间为2050S 可调节。在循迹小车上设置一个激光笔的靶牌，靶牌为同心圆周，中心圆点为直径1mm圆点，外围为5个间距lcm的同 心圆，圆圈线条宽度1mm。光源跟踪系统放置在 A 点，通过使用光敏器件检测光照 强度判断光源的位置，并用激光笔照射到循迹小车上的靶牌 上以指示光源的位置。小车置于 C 点，将激光笔光点调偏离点光源中心 5cm时，激光笔能够尽快指向靶牌中心（ 10S 内完成）。在激光笔 基本对准光源时，以 A 为圆心，将循迹小车沿着圆周从 C 到D 移动，激光笔能够连续跟踪指向 LED 点光源（ 20S 内完成）。跟踪完毕，小车在D点停留5S后关闭LED。灭LED后小车自动返回到C点（10S内）。将光敏板，转向D点，小车放于 C 到 D 圆弧的任一位置，光敏板和激光笔能自动旋转， 将激光点指向靶牌。（10S内完成）。在基本部分2中，可以显 示小车运行时间。能适时显示靶牌旋转的角度，以 A 为圆 心，C点为0度，D点为180度。其他。B光源循迹线光敏器件5CI)A團1光源跟踪系统示意團屮激光笔奧点歩起始线二、方案的选择与论证根据竞赛设计任务的总体要求，本系统可以划分为 以下个基本模块，针对各个模块的功能要求，分别有以 下一些不同的设计方案：1、 微控制器模块的选择与论证方案一：此方案采用 AT89C51 八位单片机实现。它 内存较小，只有 4K 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内 部 RAM ，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，无在线下 载编程功能，也无在线仿真功能。只能通过编程器烧写 成以.hex为后缀名的文件。方案二：此方案采用 AT89S52 八位单片机实现。它 内存较大，有 8K 的字节 Flash 闪速存储器，比 AT89C51 要多4K。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试 变得方便。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实 现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件 实现简单，安装方便。方案三：MSP430F149系列单片机。16位低功耗单片 机，性能良好，低电源电源范围：183.6V，拥有5种 低功耗模式(LPM0LPM4),灵活的时钟模式，高速运算 能力，采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软 件控制程序的运行， MSP430 芯片上包括 JTAG 接口：仿真 调试通过一个简单的 JTAG 接口转换器就可以方便的实现如设置断点，单步执行，读写寄存器等调试，快速灵活 的变成方式：可通过 JTAG 和 BSL 两种方式向 CPU 内装在 程序。综上所述，我们采用了第二、第三个方案，即AT89S52 （用于小车）、MSP430 （用于挡板）。2、光敏元器件的选择与论证方案一：光敏电阻， 阻抗与外界光照有关，同一光照下 阻抗呈线性，响应速度慢，在日常光照射下的线性较好，检测 距离有限，比较近。方案二：光敏二极管光电流与外界光照有关，同一电压下光照越强光电流越大，呈非线性，响应时间快，适用于光电流 与照度成线性关系或在高频率下工作状态，光敏二极管的光电流小，不容易捕捉，需加放大电路，但输出特性线性度好，检 测距离较远。方案三：光敏三极管光电流与外界光照有关，同一电压下 光照越强光电流越大，呈非线性，响应时间慢 , 适用于灵敏度 高，工作频率低的开关电路，光敏三极管的光电流大，输出特 性线性度较差，检测距离较远。综上所述，我们采用了第二个方案，即光敏二极管。3、 电机的选择与论证方案一：采用直流电机，多个固定在光源跟踪系统的不同 位置的光敏二极管将感应的不同电压送入比较器，比较器所得 逻辑高低电平送入单片机，单片机一控制端口输出的为宽度可 变的负脉冲,这样直流电机电枢上的电压也为宽度可变的脉冲电 压,即电机的电枢电压即受单片机输出脉宽控制,实现了利用脉冲 宽度调制技术（PWM）进行直流电机的变速，从而达到动态调 节，直至光源跟踪器（激光笔）直线对准光源位置。通过试验 电路，结果表明，利用直流电机驱动光源跟踪器的检测方案有 诸多优点：单片机端口资源利用少，无需多路 AD 口采集数据， 只提取两路 AD 信号；电机控制方法简单，无需程序设定旋转方 向等，硬件自动实现光源精确定位；控制精确，微量的光线入 射量都会引起电机转动，调节到中心位置。但该方案也有许多 不足之处，直流电机不易受单片机控制，另外直流电机的响应 速度慢，实时效应较差，旋转角度无法程序有效控制，对于固 定角度旋转比较困难。方案二：采用步进电机，步进电机精确控制旋转角度带动 光源跟踪器。步进电机是将电脉冲信号转换为角移位或线移位 的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位 置只取决于脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系 的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特 点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常 简单。4、 电机驱动模块的选择与论证方案一：使用 L298N 芯片驱动电机。 L298N 是一个具有高电 压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V,可以直接通过 电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口连接来进行控制， 而且带有使能端，方便PWM调速。L298N芯片可以驱动两个二相电 机，也可以驱动一个四相电机，正好符合我们小车 的驱动要求。此方案电路简单，性能稳定，使用比较方便。方案二：使用独立的逻辑器件搭建驱动模块。此方案费用低， 但相对麻烦且性能不稳定，容易在硬件上出现故障。综上所述，我们选择方案一。即 L298N5、显示模块的选择与论证方案一：采用三位 LED 七段数码管显示点滴数目。按键采 用单列三按键。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命 长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用 BCD 编码 显示数字，程序编译容易，资源占用较少。方案二 ： 采用液晶显示器件，液晶显示平稳、省电、美 观，更容易实现题目要求，对后续的功能兼容性高，只需将 软件作修改即可，可操作性强，也易于读数，采用 RT1602 两 行十六个字符的显示，能同时显示角度、速度、时间。综上分析，我们采用了第二个方案。实图图3基于以上多种方案的优缺点的比较与论证，采用布局合理进行遮光处理的光 敏器件检测光源位置变化，采用嵌入式微控制器 MSP430 结合 步进电机进行光源寻踪。其中 2 个光敏二极管阻值一样,且要 求对称布置，目的是为了实现更加精确的方位检测；同时将 光敏二极管紧贴遮光板放置，这样当光源转动时，相对应的 光敏二极管所接收到的光线会有较大的差异，那么处于背光 面的光敏二极管会发生较大变化，送入单片机的信号就会增 大，从而提高了步进电机的灵敏度，使得光源跟踪器旋转方 位更加准确。7、 方案论证经过多种方案的论证，采用不同阻值的光敏电阻对称布置， 进行点光源跟踪检测，并把检测信号转换后传送给微控制器 MSP430 产生控制信号，通过控制步进电机进行精确光源寻踪定 位，实现点光源跟踪系统的设计。三、系统总体设计1、 系统硬件流程图1）、系统挡板硬件流程图。系统挡板硬件流程图 图 32）、系统小车硬件流程图。系统小车硬件流程图 图 42、系统软件流程图(1)系统小车软件流程图小车软件流程图 图 5(2)系统挡板软件流程图挡板软件流程图 图 6四、系统单元电路设计1、单片机最小系统(用于小车)；单片机最小系统用于控制小车载着光源轨迹行驶，控制小车的数度，测量小车与挡板的角度，显示角度、速度。单片机最小系统原理图 图 72、 电源电路（用于挡板）电源电压采用 AK 系列的 780xx 稳压管来实现 -12V+ 12V、9V、5V、3.3V,提供给系统各单元模块H电源模块 图 83、 黑白线检测模块4、 电机驱动模块电机驱动模块采用 L298 来进行驱动小车的行驶速度和转弯，和停止。电路图如下。L29EN表1ehN1N3:IN4GUT3方向 移动 角度（）、左右LED10901551090155挡板9.888.31439.789153.4测试结果由表 1 可知，该测试光源跟踪系统能满足设计的基本要求， 同时对技术发挥部分也能完成，但当激光笔水平移动时，由于 步进电机的抖动是挡板产生微小的变化，导致测量存在一定的 误差，因此今后要在步进电机消抖上要有一定的提高，保证光 源移动时，光敏器件的测光范围保持不变，从而保证设计要六、 总结由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优 良、稳定，较好地达到了题目要求的各项性能指标，同时也完 成了发挥部分的要求。点光源跟踪系统主要应用模拟电子技术、单片机、传感器 检测与变换及电机的相关知识。从这次竞赛中我们都认识到实 践的重要性，在实践中重新思考书本中的理论知识，并可以应 用到实践中去。题目中的每一点都会涉及到不同的内容，不同 的知识，成功的设计出这次竞赛的作品，是一点点知识的积 累，是无数次失败的总结。光源自动跟踪系统的设计主要是为 了实现光电传感、位置检测、信号处理、跟踪实时、定位准 确。这就要考虑实现设计要求的前提下采用什么样的元器件光 源检测跟随性好，什么样的电机定位精确，因此，为了实现该 功能我们将方案进行多次的测量、验证、比较、修改，最终得 到了一个较为理想的可实现方案。通过参加这次竞赛，我们有了更多的体会和收获。首先是 学习能力的增强，这种学习能力包括查寻资料的能力、识图能 力、系统方案设计能力、动手操作能力、分析排除故障能力以 及文字表达能力等多方面。在这个过程中不仅是在知识技能、 学习能力上，还是心态、意识上自己都有了一个长足的进步， 并且在自学能力、如何与伙伴合作，如何与伙伴沟通能力方面 也有较高的提高。