点光源跟踪器系统设计

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1、点光源跟踪系统组员：王立冬卢晓文许甲海摘要：本文设计的是一个点光源跟踪系统，主要由光敏三极管的照度检测与处理，控制器分析与处理，执行机构运行和液晶显示模块这几个部分构成。整个系统是以LM3S1138为控制核心，通过八个个光敏三极管来检测光照，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，以达到跟踪光源的效果。关键词：点光源定位，二维运动分析，LM3S1138一、系统方案设计与论证1.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

2、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。具有32位处理器内核的高性能处理器，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LM3S1138作为控制器，LM3S1138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.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

3、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成很好的线性关系。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：光敏三极管。原理与光敏二极管相同，但是与光敏二极管相比，它具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度，因此传感器选择方案四。3.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

4、型如下方案：6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。可以调节为1/8细分模式，走不准确，PWM调节方便方案二：舵机。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上，舵机运行稳定，控制方便，恰好用于精确定

5、位。综上所述，水平轴扫描由步进电机控制，竖直轴扫描由舵机控制，舵机选用微舵机，便于步进电机可以带动舵机运动。4.点电源的供电方案方案一：采用LED驱动芯片TPS61062。方案二：采用功率驱动芯片TIP122多LED进行驱动，经过试验方案一电流达不到要求，方案二满足要求，故选用方案二。5.总体方案确定综上，本系统最终以LM3S1138作为控制器，用光敏三极管做检测元件，通过控制步进电机和微舵机来使激光笔指向点光源。图1系统整体框图二、理论分析与计算1.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

6、则，本设计采用两类八路照度检测通道。垂直直观图如图2所示。外圈为圆盘，内圈为套筒，外圈排布四路传感器用于粗调，内圈四路传感器用于精调，两类检测元件水平、垂直排布分别用于水平面、竖直面定位，布局相对对称。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。2.光照度分析对光源移动过程中某一瞬间进行如下分析：6假设传感器模块受点光源C的光照，设点光源C至传感器模块距离为r，并且点光源发出的某一光束的光轴与水平排布传感器的法线N之间的夹角为，则该传感器上的照度如下公式所示：同理，B点也可得出。就

7、水平方向而言，当且仅当时，即光源C处在AB的垂直平分线上时两个传感器的照度，此时便为最终的追踪状态因为竖直方向与水平方向的分布相同，当时，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2传感器分布图图3光照度分析图三、硬件电路设计1.传感器检测电路传感器检测光照后，输出的模拟量经过放大、限幅处理后经由PORT1接入AD采样通道。图4传感器检测电路2.点光源电流控制电路6选取LED亮度控制器，输出电流经大功率三极管TIP122后，接入负载。并且经由后续电路采样电压，从而计算得出流

8、过LED的电流值。PORT3是由主处理器1的DA提供的可变电压，由