點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、 歡迎閱讀本文檔，希望本文檔能對您有所幫助！ 歡迎閱讀本文檔，希望本文檔能對您有所幫助！ 感謝閱讀本文檔，希望本文檔能對您有所幫助！ 感謝閱讀本文檔，希望本文檔能對您有所幫助！ 歡迎閱讀本文檔，希望本文檔能對您有所幫助！ 感謝閱讀本文檔，希望本文檔能對您有所幫助！點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)報告設(shè)計(jì)題目一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個能夠檢測并指示點(diǎn)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

2、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3 cm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(qiáng)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(diǎn)光源； （2）將激光筆光點(diǎn)調(diào)偏離點(diǎn)光源中心30cm時，激光筆能夠盡快指向點(diǎn)光源；（3）在激光筆基本對準(zhǔn)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(diǎn)光源； 2發(fā)揮部分（1）在激光筆基本對準(zhǔn)光源時，

3、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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)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(xiàng)目外，點(diǎn)光源的電流應(yīng)為30015 mA； 6在進(jìn)行發(fā)揮部分（3）項(xiàng)測試時，

4、不得改變光源跟蹤系統(tǒng)的電路參數(shù)或工作模式；四、評分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)報告項(xiàng) 目分?jǐn)?shù)系統(tǒng)方案2理論分析與計(jì)算8電路與程序設(shè)計(jì)9測試方案與測試結(jié)果8設(shè)計(jì)報告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性3小計(jì)30基本要求完成第（1）項(xiàng)10完成第（2）項(xiàng)20完成第（3）項(xiàng)20小計(jì)50發(fā)揮部分完成第（1）項(xiàng)15完成第（2）項(xiàng)15完成第（3）項(xiàng)15其他5小計(jì)50 總分130 設(shè)計(jì)總方案一：系統(tǒng)概述本設(shè)計(jì)是一個點(diǎn)光源追蹤系統(tǒng)，主要由傳感器來對光照檢測與處理，控制器分析與處理，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行和模塊顯示這幾個部分構(gòu)成。整個系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制核心，通過兩個光敏傳感器來檢測光照，依據(jù)光照度的變化、大小來判斷出點(diǎn)光源的位置與運(yùn)動趨勢，借以來控制電機(jī)。當(dāng)水平方

5、向上的兩傳感器的測量數(shù)值相對接近，位于傳感器中間的激光筆將精確的指向點(diǎn)光源。 本系統(tǒng)是有控制核心的單片機(jī)對傳感器檢測的光源的信號進(jìn)行分析和處理然后控制電機(jī)，使其跟隨點(diǎn)光源移動。達(dá)到跟蹤點(diǎn)光源的目的。系統(tǒng)的硬件主要有控制器單片機(jī)，電機(jī)驅(qū)動模塊，點(diǎn)光源檢測模塊，顯示模塊，鍵盤，電源轉(zhuǎn)換模塊等模塊組成的系統(tǒng)總體框圖：實(shí)現(xiàn)跟蹤功能電機(jī)驅(qū)動芯片光敏三極管電機(jī)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)跟蹤功能電機(jī)驅(qū)動芯片光敏三極管電機(jī)單片機(jī)二：核心硬件組成 模塊基本： 采樣模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊擴(kuò)展：點(diǎn)光源電流調(diào)節(jié)模塊、顯示模塊、鍵盤模塊1、點(diǎn)光源采樣模塊a.點(diǎn)光源檢測的原理：2個光敏三極管分布在激光筆的兩端，激光

6、筆處于2個光敏三極管的中點(diǎn)，當(dāng)激光筆指向點(diǎn)光源的時候，2個光敏三極管感光強(qiáng)度一樣。 ADC會實(shí)時采樣的光敏三極管數(shù)據(jù)，不斷地進(jìn)行比較，移動點(diǎn)光源時，會通過比較產(chǎn)生判斷，驅(qū)動電機(jī)使激光筆實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)光源的跟蹤。檢測光源電路的主要原理是通過檢測到光敏電阻的電阻變化,從而引起電壓的變化,單片機(jī)通過識別不同的電壓信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。檢測光敏電阻主要是通過信號放大電路實(shí)現(xiàn)。光敏三極管受到不同光照射時阻值不同。通過與一個固定阻值的電阻串聯(lián)分壓，將阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。當(dāng)光照強(qiáng)度變化時，電壓值變化。，通過反向比例放大電路將電壓值放大，放大后送入12位A/D轉(zhuǎn)換模塊TLC2543中的AIN0到AIN1，分別對

7、二路光敏三極管輸出電壓進(jìn)行采集。采用光敏三極管(SDU5C)檢測光源。圖1-1光敏三極管采樣電路b.信號放大器因?yàn)閭鞲衅鳈z測到的信號是比較微弱的，單片機(jī)不好處理，為了是單片機(jī)很好更方便的處理檢測到的微弱信號，我們需要將其放大然后送給單片機(jī)處理。在本系統(tǒng)中我們選擇的是信號放大器LM324。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖1-2所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中

8、，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 圖1-2 運(yùn)算放大器 圖1-3 LM324引腳圖LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 圖1-4 信號采集電路2、芯片選擇單片機(jī)選用常見的AT89C51。其控制方便，功能全面，且相對廉價易得。3、電機(jī)及驅(qū)動的選擇采用步進(jìn)電機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)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(fù)載變化的影響。每給一次脈沖信號，電機(jī)能夠轉(zhuǎn)過一個步距角。采用恒壓橋式驅(qū)動芯片L298N和L297聯(lián)合。驅(qū)

9、動能力強(qiáng)，電路簡單，使用方便。步進(jìn)電機(jī)本系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的主要作用是調(diào)整激光筆的位置，指向點(diǎn)光源。我們選的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號是56BYG250B-0241，步距角0.9/1.8度，相電流2.4A，保持轉(zhuǎn)矩0.65N*m，轉(zhuǎn)動慣量180g*cm，重量0.48kg，外形尺寸（56*56*45）mm。本系統(tǒng)中我們選用的是L298N驅(qū)動芯片，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動

10、機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡稱VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡稱PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡稱HB）。（1）兩相四拍的工作模式時序圖（如表2-1所示

11、）：表2-1 兩相四拍的工作模式時序圖步進(jìn)電機(jī)信號輸入第一步第二步第三步第四步返回第一步正轉(zhuǎn)IN10111返回IN21011返回IN31101返回IN41110返回反轉(zhuǎn)IN11110返回IN21101返回IN31011返回IN40111返回（2）控制換相順序兩相四線步進(jìn)電機(jī)的四拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?A-B-AB)依次循環(huán)。兩相四線步進(jìn)電機(jī)的八拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?(AABBBAAAB-BBA)。（3）控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。（4）控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會

12、再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。（注意：如果脈沖頻率的速度大于了電機(jī)的反應(yīng)速度，那么步進(jìn)電機(jī)將會出現(xiàn)失步現(xiàn)象）。圖3-1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路4、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中用的電壓有+12V，+5V，+3V。所以我們用下面的轉(zhuǎn)換電路為系統(tǒng)各元件提供電源。電路圖如下圖2-3所示。圖4-1 電源轉(zhuǎn)換電路擴(kuò)展部分一、液晶顯示器本系統(tǒng)中顯示器是用來顯示光敏三極管檢測到的信號，是需要顯示漢字的。所以我們選用的是LCD液晶顯示器，型號：FYD12864-0402B。FYD12864-0402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方

13、式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個16*16點(diǎn)漢字，和128個16*8點(diǎn)ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點(diǎn)陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。1.基本特性:（1）低電源電壓（VDD:+3.0-+5.5V）（2）顯示分辨率:12864點(diǎn)（3）內(nèi)置漢字字庫，提供8192個16

14、16點(diǎn)陣漢字(簡繁體可選)（4）內(nèi)置 128個168點(diǎn)陣字符（5）2MHZ時鐘頻率（6）顯示方式：STN、半透、正顯（7）驅(qū)動方式：1/32DUTY，1/5BIAS（8）背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5-1/10（9）通訊方式：串行、并口可選（10）內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓（11）無需片選信號，簡化軟件設(shè)計(jì)（12）工作溫度: 0 - +55 ,存儲溫度: -20 - +602.并行接口引腳說明（如表2-3所示）表2-3 并行接口引腳說明管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-對比度（亮度）調(diào)整4RS(CS）H/LRS

15、=“H”,表示DB7-DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7-DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7-DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7-DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式（見注釋1）16NC-空腳17/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效（見注釋2）18VOU

16、T-LCD驅(qū)動電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）（見注釋3）20KVSS背光源負(fù)端（見注釋3）*注釋1：如在實(shí)際應(yīng)用中僅使用并口通訊模式，可將PSB接固定高電平，也可以將模塊上的J8和“VCC”用焊錫短接。*注釋2：模塊內(nèi)部接有上電復(fù)位電路，因此在不需要經(jīng)常復(fù)位的場合可將該端懸空。 *注釋3：如背光和模塊共用一個電源，可以將模塊上的JA、JK用焊錫短接。3.控制器接口信號說明（1）RS，R/W的配合選擇決定控制界面的4種模式（如表2-4所示）：表2-4 四種模式RSR/W功能說明LLMPU寫指令到指令暫存器（IR）LH讀出忙標(biāo)志（BF）及地址記數(shù)器（AC）的狀態(tài)HLMPU寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)

17、暫存器（DR）HHMPU從數(shù)據(jù)暫存器（DR）中讀出數(shù)據(jù)（2）E信號（如表2-5所示）表2-5 E信號E狀態(tài)執(zhí)行動作結(jié)果高低I/O緩沖DR配合/W進(jìn)行寫數(shù)據(jù)或指令高DRI/O緩沖配合R進(jìn)行讀數(shù)據(jù)或指令低/低高無動作 忙標(biāo)志:BFBF標(biāo)志提供內(nèi)部工作情況.BF=1表示模塊在進(jìn)行內(nèi)部操作,此時模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù).BF=0時,模塊為準(zhǔn)備狀態(tài),隨時可接受外部指令和數(shù)據(jù)。利用STATUS RD 指令,可以將BF讀到DB7總線,從而檢驗(yàn)?zāi)K之工作狀態(tài)。字型產(chǎn)生ROM（CGROM） 字型產(chǎn)生ROM（CGROM）提供8192個此觸發(fā)器是用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。DFF=1為開顯示（DISPLAY ON

18、),DDRAM 的內(nèi)容就顯示在屏幕上，DFF=0為關(guān)顯示（DISPLAY OFF)。 DFF 的狀態(tài)是指令DISPLAY ON/OFF和RST信號控制的。顯示數(shù)據(jù)RAM（DDRAM）模塊內(nèi)部顯示數(shù)據(jù)RAM提供642個位元組的空間，最多可控制4行16字（64個字）的中文字型顯示，當(dāng)寫入顯示數(shù)據(jù)RAM時，可分別顯示CGROM與CGRAM的字型；此模塊可顯示三種字型，分別是半角英數(shù)字型(16*8)、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三種字型的選擇，由在DDRAM中寫入的編碼選擇，在0000H-0006H的編碼中（其代碼分別是0000、0002、0004、0006共4個）將選擇CGRAM的自定義字

19、型，02H-7FH的編碼中將選擇半角英數(shù)字的字型，至于A1以上的編碼將自動的結(jié)合下一個位元組，組成兩個位元組的編碼形成中文字型的編碼BIG5（A140-D75F），GB（A1A0-F7FFH）。 字型產(chǎn)生RAM(CGRAM) 字型產(chǎn)生RAM提供圖象定義(造字)功能, 可以提供四組1616點(diǎn)的自定義圖象空間，使用者可以將內(nèi)部字型沒有提供的圖象字型自行定義到CGRAM中，便可和CGROM中的定義一樣地通過DDRAM顯示在屏幕中。地址計(jì)數(shù)器AC地址計(jì)數(shù)器是用來貯存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由設(shè)定指令暫存器來改變，之后只要讀取或是寫入DDRAM/CGRAM的值時，地址計(jì)數(shù)器的值就會自動加一

20、，當(dāng)RS為“0”時而R/W為“1”時，地址計(jì)數(shù)器的值會被讀取到DB6-DB0中。光標(biāo)/閃爍控制電路該模塊提供硬體光標(biāo)及閃爍控制電路，由地址計(jì)數(shù)器的值來指定DDRAM中的光標(biāo)或閃爍位置。液晶顯示器的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中顯示器主要是用來顯示光敏三極管檢測到的信號，給操作人員在手動調(diào)整過程和自動跟蹤過程提供參考的作用。選用了LCD液晶顯示器型號為FYD12864-0402B。電路圖如下圖所示：圖 LCD液晶顯示電路鍵盤鍵盤設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中鍵盤的作用是調(diào)整。如果點(diǎn)光源不在光敏三極管檢測的范圍就不能檢測點(diǎn)光源的光照，所以需要手動調(diào)整步進(jìn)電機(jī)使其尋找到點(diǎn)光源。鍵盤就在這個過程中應(yīng)用。電路圖如下圖所示：附錄仿真電路圖總

21、程序#include AT89X51.hint delay();int ADC2543(unsigned char cmd); void inti_lcd();void show_lcd(int);void cmd_wr();void ShowState();void clock(unsigned int Delay) ;void delay2(unsigned int t); void DoSpeed(); /計(jì)算速度/正轉(zhuǎn)值#define RIGHT_RUN 1/反轉(zhuǎn)值#define LEFT_RUN 0sbit RS=0 xA0;sbit RW=0 xA1;sbit E=0 xA2;sb

22、it CS=P25;/AD的片選信號 sbit CLK=P26;/AD的時鐘信號sbit IN=P24;/AD的數(shù)據(jù)輸入信號sbit OUT=P23;/AD的數(shù)據(jù)輸出信號sbit EOC=P27;/AD的轉(zhuǎn)換結(jié)束結(jié)束 char SpeedChar=SPEED(n/min):;char StateChar=RUN char STATE_CW=CW;char STATE_CCW=CCW;char SPEED3=050;unsigned int RunSpeed=50;/速度unsigned char RunState=RIGHT_RUN; /運(yùn)行狀態(tài)void t_0_2(void)RunState

23、=RIGHT_RUN; P0_0=1; P1=0 x01; cmd_wr(); ShowState(); /反轉(zhuǎn)void t_1_2(void)RunState=LEFT_RUN; P0_0=0; P1=0 x01; cmd_wr(); ShowState(); void main()float value1,value2;/定義浮點(diǎn)型變量/*定時器設(shè)置*/TMOD=0 x66; /定時器0，1都為計(jì)數(shù)方式；方式2；EA=1;/開中斷TH0=0 xff;/定時器0初值FFH；TL0=0 xff;ET0=1;TR0=1;TH1=0 xff;/定時器1初值FFH；TL1=0 xff;ET1=1;TR1=1; IT0=1;/脈沖方式EX0=1;/開外部中斷0:加速IT1=1;/脈沖方式EX1=1;/開外部中斷1:減速 inti_lcd(); DoSpeed(); ShowState(); while(1) value1 = ADC2543(0)*5.0/4095;/處理從AD讀回的數(shù)據(jù)，得到實(shí)際的模擬量 value2 = ADC2543(1)*5.0/4095;/ delay2(1000); /設(shè)置斷點(diǎn)，觀察變量value的數(shù)值，長延時 if (value1value2) t_0_2(); /clock(RunSpeed); P0_1=P0_10 x