畢業(yè)論文電光源跟蹤系統(tǒng)

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文）（2011屆）論文題目： 電光源跟蹤系統(tǒng)所在學(xué)院：電子信息工程學(xué)院專業(yè)班級：電信08303學(xué)生姓名： 學(xué)號：08012870指導(dǎo)老師： 完成日期：2011年4月20日目錄摘 要第一章 引言第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 主控芯片2.2 led驅(qū)動電路2.3傳感器的選擇2.4 電機的選擇2.5點電源的供電方案2.6總方案的確定第三章 理論分析及計算3.1點光源特性分析3.2傳感器分布分析與計算3.3光照度分析第四章 體統(tǒng)單元電路設(shè)計第五章 程序設(shè)計流程 第六章 測試方案與結(jié)果6.1測試方法與過程6.2測試儀器及材料6.3測試結(jié)果及拓展部分第七章 設(shè)計總結(jié)第八章 致謝第九章 參考文獻

2、第十章 實物圖摘要：本文設(shè)計是一個點光源跟蹤系統(tǒng)，主要有光照傳感的照度檢測和處理，控制器分析與處理，執(zhí)行機構(gòu)和模塊顯示這幾個部分結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)是以lm38s811為控制核心，通過四個可見光照度傳感器來檢測光照，依據(jù)光照的變化、大小來判斷出點光源的位置與運動趨勢，并將點光源運動分解為水平和豎直方向的二維運動，借以來控制水平電機與豎直電機的旋轉(zhuǎn)角度，當水平方向上的兩傳感器的中間的激光筆將精確的指向點光源。除基本要求滿足外，本系統(tǒng)設(shè)計了一些拓展環(huán)節(jié)：在點光源正對及電機運動幅度允許的條件下，激光筆可跟蹤任意方向移動的點光源，也可換速度檔位，達到迅速調(diào)節(jié)的目的。關(guān)鍵字：點光源定位 尋跡 二維運動分析 直

3、流減速電機控制 lm3s811abstract：what this article designs is a point source tracking system, mainly consist of the illumination sensors degree of illumination examination and processing, the controller analysis and processing, the implementing agency movement and the module demonstrates. this system takes t

4、he lm3s811 as the control core., examines the illumination through four obvious illuminance sensors .it is based on the illuminance change and the size to estimate the position of the point source and the movement tendency, and decomposes the point source movement into the level and the vertical dir

5、ection, in order to control level motor and vertical motors rotation degrees. when two sensors survey values in horizontal directions are relatively close and so is in vertical direction, the light pen which lies in the middle of vertical sensor will point at the point source precisly. besides the e

6、ssential requirements, this system design some development link: in the condition of the point source and the motor movement range permission, the light pen can trace the point source that the random orientation moves, and also trade the speed files, to adjust the goal rapidly. key word: a point sou

7、rce orientation， tracing，2d movement analysis，dc gear，motor control， lm3s811一 引言世界能源日趨枯竭，可再生能源的開發(fā)和利用前景廣闊，成為未來能源的焦點。太陽能作為一種清潔無污染的能源 , 發(fā)展前景非常廣闊。本系統(tǒng)所設(shè)計的點光源跟蹤系統(tǒng)是一種太陽自動跟蹤系統(tǒng)的簡化模型，可以應(yīng)用于太陽能電池板跟蹤太陽，實現(xiàn)最大效率地吸收太陽能。本文提出一種新型的基于單片機的太陽光自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方案，采用攝像頭和光電傳感器實現(xiàn)光源的精確跟蹤，誤差小，實時性強，具有很強的應(yīng)用前景。二系統(tǒng)方案設(shè)計1.主控芯片根據(jù)本題的要求，整個系統(tǒng)中必須要

8、有一個主控芯片來處理數(shù)據(jù)和控制操作，主要考慮以下兩種方案：方案一：msp430系列單片機。16位低功耗單片機，性能良好。方案二：cortex-m3系列。32位處理器內(nèi)核高性能處理器，具有強大的控制、處理能力，豐富的外圍模塊，穩(wěn)定的系統(tǒng)，提供方便高效的開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)選取cortex-m3系列的lm3s811作為控制器，lm3s811支持低功耗模式，性能穩(wěn)定，內(nèi)置嵌套向量中斷控制器，在控制、處理數(shù)據(jù)速度上有優(yōu)勢，并含有豐富的外圍模塊，所以選擇方案二。2led的驅(qū)動電路led驅(qū)動電路采用ti公司生產(chǎn)的tps61062芯片來驅(qū)動，ina270芯片來對電流檢測，具體電路如下圖2所示：圖2 led的驅(qū)動

9、電路3.傳感器的選擇本系統(tǒng)的傳感器主要是檢測光照度，可考慮的傳感器如下列方案：方案一：光敏電阻。從光照特性來看，隨著光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降，可以反映光照的變化，但該特性大多數(shù)情況為非線性，部分光照區(qū)間內(nèi)，特性變化不靈敏。方案二：硅光電池。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，根據(jù)硅光電池光照強度曲線特性可知：硅光電池的開路電壓或短路電流與光強呈很好的線性關(guān)系。方案三：光敏二極管。光敏二極管具有單向?qū)щ娦?，無光照時，有很小的暗電流，當受到光照時，光電流隨射光強度的變化而變化。方案四：可見光照度傳感器。該傳感器是一個光電集成傳感器，內(nèi)置敏感元接收器，可見光范圍內(nèi)，輸出

10、電流照度呈線性變化，暗電流小，低照度響應(yīng)，靈敏度高。在測試光敏電阻與硅光電池時，發(fā)現(xiàn)光源的距離限制了兩者的應(yīng)用范圍。當距離比較大時，兩者的靈敏度大大降低。經(jīng)實踐測定，光敏二級管與可見光照度傳感器滿足要求，但在反映速度，及變化的靈敏、快速性方面，光照度傳感器更勝一籌，因此傳感器選擇方案四。4.電機的選擇電機的主要作用是調(diào)整激光筆的位置，指向點光源，可選取的類型如下方案：方案一：步進電機。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。每給一次脈沖信號，電機能夠轉(zhuǎn)過一個步距角。方案二：直流減速電機。此電機在正常通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，角度的變化也近乎連續(xù)，

11、控制簡單方便。根據(jù)設(shè)計的要求可知，步進電機存在的明顯缺陷是角度變化的局限性，控制相對直流減速電機而言也復(fù)雜。直流減速電機除角度連續(xù)變化外，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，容易控制，因而選用第二種方案。5.點電源的供電方案根據(jù)題目要求：為產(chǎn)生150ma350ma的led驅(qū)動電流，采用亮度驅(qū)動芯片tps61062。調(diào)試發(fā)現(xiàn)，電流不能夠滿足要求，最終決定在此基礎(chǔ)上添加大功率三級管放大，經(jīng)測試可行。6.總方案的確定綜上，本系統(tǒng)最終以lm3s811作為控制器，用可見光照傳感器做檢測元件，通過控制直流減速電動機來使激光筆指向點光源。圖1 系統(tǒng)方框圖三理論分析及計算1點光源特性分析根據(jù)題目中的要求，可以將點光源的運動分為沿圓周移

12、動和沿其他任意方向移動兩種形式?？臻g中的任何一點可以用惟一的參量來表示，根據(jù)運動軌跡的不同，選擇不同的坐標參量，具體如下：a.沿圓周移動點光源此類運動趨勢的點光源設(shè)定為第一類點光源。對于第一類光源，我們采用柱面坐標來處理。由于運動圓周的半徑和點光源的高度都以固定，因此確定點光源的位置或變化趨勢可歸結(jié)于求取單一變量：水平面的角度或其變化量。b.沿其他任意方向移動的點光源此類運動趨勢的點光源設(shè)定為第二類點光源。對于第二類光源，我們采用極坐標來處理。因為點光源的指向問題與徑長的值不相關(guān)，所以點光源位置的確定可通過求解仰角和水平面角度及其變化。根據(jù)以上分析，可以將追蹤點光源的位置問題轉(zhuǎn)化為求解水平角度

13、或仰角與水平角度的相關(guān)問題。降低了任務(wù)的復(fù)雜性，目標明確。2根據(jù)第一、二類點光源的特性及光照亮度來追蹤光源的原理，依據(jù)簡易、精確控制與節(jié)約資源的原則，本設(shè)計采用四路照度檢測通道。其中，兩路檢測元件水平排布用于水平面定位，布局相對對稱，另兩路左右檢測元件與激光筆平行，用于豎直定位。點光源的移動可分解為水平移動和豎直移動。水平布局的中心傳感器應(yīng)用于精確定位光源的水平位置。水平方向兩邊的傳感器主要用來檢測光源的水平位置或水平移動方向，以便及時通知控制器調(diào)整指示筆的水平指向?？紤]到能夠快速的檢測到光源的水平方向上的移動及移動的具體方向，設(shè)定最小識別光源距離為10cm(此偏差的解決方法見光照分析）。此時

14、傳感器的理想分布如下圖所示：水平方向兩路傳感器與中間的夾角計算如下：;其中r為傳感器距離圓心的距離由實際可知r值相對比較小，近似計算，可得。根據(jù)實際調(diào)試的情況，選取左右。 豎直方向的布局分析與上述情況相同圖2 傳感器布局分析圖此外，考慮到外界強光的影響，在傳感器的前端加黑色圓筒處理。實踐證明，這樣的處理能夠有效地避免外界干擾，達到更良好的控制。圖3傳感器電路3.光照度分析根據(jù)可見光照度傳感器的物理結(jié)構(gòu)特征：內(nèi)置敏感元接收器。適宜用光照度來分析，照度指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量來表示。一般的點光源的特點是能以4 立體角向周圍空間發(fā)出相同發(fā)光強度的光輻射。而本設(shè)計采用的點光源在此

15、基礎(chǔ)上增加了有聚光作用的燈罩，所以周圍的光照強度分布并不均勻，變化趨勢為中間向兩邊遞減。但在中間的一段可以近似相等，這也是精確指示光源的難點之一。對光照相等的區(qū)域做如下分析：假設(shè)面元ds受點光源s的光照，設(shè)點光源s至面元ds距離為r，并且點光源發(fā)出的元光束的光軸與面元的法線n之間的夾角為 ，則面元上的照度如下：對相鄰面元的光照分析與計算下：易知，中間光照近似相等的區(qū)域很小，則。就水平方向而言，當且僅當時，兩個傳感器的光照亮度,此時點光源位于兩傳感器中間位置;因為豎直方向與水平方向的分布相同，當時，點光源位于豎直傳感器中間。設(shè)置激光筆的位置在豎直傳感器的中間，當水平與豎直方向同時滿足條件時，激光

16、筆將準確定位在光源中心處。 圖3 光照度分析圖四系統(tǒng)單元電路設(shè)計檢測電路：傳感器檢測光照后，輸出的模擬量經(jīng)過限幅、采樣保持處理后接入ad通道。圖4 檢測電路點光源電流控制電路：選取led亮度控制器，輸出電流經(jīng)大功率三極管后，接入負載。圖5 點光源電流控制電路顯示、按鍵電路：由7279構(gòu)成的顯示，按鍵電路圖6 顯示、按鍵電路電機驅(qū)動電路：采用電機驅(qū)動芯片l298控制電機圖7 電機驅(qū)動電路五程序設(shè)計流程程序描述：初始化部分：控制器配置程序主體部分包括：光照度檢測，數(shù)據(jù)處理，狀態(tài)分析、控制執(zhí)行機構(gòu)并循環(huán)?？刂葡到y(tǒng)上電后，如果不按按鍵k1，那么控制系統(tǒng)會進入到檢測狀態(tài)，在檢測狀態(tài)中，系統(tǒng)會每個一段時間

17、分別顯示出4路傳感器的測量值，也可以通過按按鍵k4，k5，k6來實現(xiàn)向上、向下、向左、向右四個方向的調(diào)節(jié)。如果按按鍵k1，會啟動系統(tǒng)自動尋找點光源。此時，可以移動點光源的位置，或者移動激光筆的指示位置，經(jīng)過一段后，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)使得激光筆的指示位置與點光源的位置接近，從而達到對點光源的自動跟蹤效果。 圖8 程序設(shè)計流程六測試方案與結(jié)果由理論分析可知，本系統(tǒng)對傳感器的精度要求比較高。主要就是微調(diào)傳感器的角度。測試前的準備：先給點光源通電，調(diào)整點光源的電流值，達到規(guī)定范圍內(nèi)，然后在給其余設(shè)備供電后系統(tǒng)直接進入檢測傳感器是否能夠正常工作狀態(tài)。然后，手動使激光筆對準光源，查看四個傳感器的光照的測量情況

18、，主要是使水平方向的兩個傳感器的測量值相對接近，豎直方向的兩個傳感器的測量值也相對接近，并且微調(diào)指示臺，傳感器的測量值有顯著地變化，接著按啟動按鍵，就可以測試。測試方法：在測試前的準備工作結(jié)束后，先讓其自動運行，在自動找到點光源，并且激光筆正確指示后，沿任意方向調(diào)整光源，觀測結(jié)果。2. 測試儀器及材料直流穩(wěn)壓電源數(shù)字萬用表 點光源支架3. 測試結(jié)果及拓展部分點光源位置不變，移動激光筆的指示位置，測量數(shù)據(jù)如下表：表1：點光源位置不變的測量數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345測量偏差(cm)1.02.40.92.31.9測量次數(shù)678910測量偏差(cm)3.42.71.11.71.2點光源沿圓周運動，測量數(shù)據(jù)

19、如下表：表2：點光源沿圓周運動的測量數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345測量偏差(cm)1.32.51.92.41.0測量次數(shù)678910測量偏差(cm)2.83.62.11.41.9點光源沿直線lm運動，測量數(shù)據(jù)如下表：表3：點光源沿直線lm運動的測量數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345測量偏差(cm)2.82.91.91.32.3測量次數(shù)678910測量偏差(cm)1.82.02.53.02.3點光源在激光筆支架前的一定空間范圍內(nèi)運動，測量數(shù)據(jù)如下表：表4：點光源在一定空間范圍內(nèi)運動的測量數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345測量偏差(cm)0.71.32.11.70.5測量次數(shù)678910測量偏差(cm)2.61.63.02.91.1經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)，激光筆能夠在5s內(nèi)精確指示，誤差在5cm之內(nèi)。此外，經(jīng)測試，本系統(tǒng)的拓展部分：只要點光源能正對激光筆，任意方向的局部移動也可追蹤；追蹤的速度可調(diào)，分低速、高速追蹤，效果良好。七設(shè)計總結(jié)綜合上述各部分的分析與測試結(jié)果，本設(shè)計基本完成了題目的基本要求，還較好的完成了大部分發(fā)揮內(nèi)容。通過本次的設(shè)計競賽，我們懂得了理論聯(lián)系實際的重要性，學(xué)到了很多東西，受益匪淺。八致謝本文從課題的選定開始，系統(tǒng)方案的確定，以及對設(shè)計電路的調(diào)試知道，到最后論文的編寫和完成交