畢業(yè)論文---電光源跟蹤系統(tǒng)

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p><b>　　（2011屆）</b></p><p>　　論文題目： 電光源跟蹤系統(tǒng)</p><p>　　所在學院：電子信息工程學院</p><p><b>　　專業(yè)班級： </b></p>&

2、lt;p>　　學生姓名： </p><p><b>　　指導老師： </b></p><p>　　完成日期：2011年4月20日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘 要………………………………………………………………</p><

3、p>　　引言…………………………………………………</p><p>　　系統(tǒng)方案設計……………………………………………</p><p>　　2.1 主控芯片………………………………………………………</p><p>　　2.2 LED驅動電路……………………………………………………</p><p>　　2.3傳感器的選擇……………………

4、……………………………</p><p>　　2.4 電機的選擇……………………………………………………</p><p>　　2.5點電源的供電方案…………………………………………</p><p>　　2.6總方案的確定………………………………………………</p><p>　　理論分析及計算………………………………………</p>

5、<p>　　3.1點光源特性分析………………………………</p><p>　　3.2傳感器分布分析與計算…………………………</p><p>　　3.3光照度分析……………………………………</p><p>　　體統(tǒng)單元電路設計………………………………………</p><p>　　程序設計流程…………………………………………… &l

6、t;/p><p>　　測試方案與結果……………………………………</p><p>　　6.1測試方法與過程………………………………</p><p>　　6.2測試儀器及材料………………………………</p><p>　　6.3測試結果及拓展部分…………………………</p><p>　　設計總結…………………………………………

7、………</p><p>　　致謝……………………………………………………</p><p>　　參考文獻………………………………………………</p><p>　　實物圖……………………………………………………</p><p>　　摘要：本文設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)行機構和模塊顯示這幾個部分結

8、構。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，達到迅速調節(jié)的目的。</p

9、><p>　　關鍵字：點光源定位 尋跡 二維運動分析 直流減速電機控制 LM3S811</p><p>　　Abstract：What this article designs is a point source tracking system, mainly consist of the illumination sensor's degree of illumina

10、tion examination and processing, the controller analysis and processing, the implementing agency movement and the module demonstrates. This system takes the LM3S811 as the control core., examines the illumination through

11、 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 </p><p>　　Key word: A point source orientation， Tracing，2d

12、 movement analysis，Dc gear，motor control， LM3S811</p><p>　　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，可以應用于太陽能電池板跟蹤太陽，實現最大效率地吸收太陽能。本文提出一種新型的基于單片機

13、的太陽光自動跟蹤系統(tǒng)設計方案，采用攝像頭和光電傳感器實現光源的精確跟蹤，誤差小，實時性強，具有很強的應用前景。</p><p><b>　　二．系統(tǒng)方案設計</b></p><p><b>　　1.主控芯片</b></p><p>　　根據本題的要求，整個系統(tǒng)中必須要有一個主控芯片來處理數據和控制操作，主要考慮以下兩種方案

14、：</p><p>　　方案一：MSP430系列單片機。16位低功耗單片機，性能良好。</p><p>　　方案二：Cortex-M3系列。32位處理器內核高性能處理器，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。</p><p>　　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

15、，內置嵌套向量中斷控制器，在控制、處理數據速度上有優(yōu)勢，并含有豐富的外圍模塊，所以選擇方案二。</p><p>　　2．LED的驅動電路</p><p>　　LED驅動電路采用TI公司生產的TPS61062芯片來驅動，INA270芯片來對電流檢測，具體電路如下圖2所示：</p><p>　　圖2 LED的驅動電路</p><p><b

16、>　　3.傳感器的選擇</b></p><p>　　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：</p><p>　　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，但該特性大多數情況為非線性，部分光照區(qū)間內，特性變化不靈敏。</p><p>　　方案二：硅光電池。硅光電池是一種直

17、接把光能轉換為電能的半導體器件，根據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系。</p><p>　　方案三：光敏二極管。光敏二極管具有單向導電性，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。</p><p>　　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，內置敏感元接收器，可見光范圍內，輸出電流照度呈線性變化，暗

18、電流小，低照度響應，靈敏度高。</p><p>　　在測試光敏電阻與硅光電池時，發(fā)現光源的距離限制了兩者的應用范圍。當距離比較大時，兩者的靈敏度大大降低。經實踐測定，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。</p><p><b>　　4.電機的選擇</b></p><

19、;p>　　電機的主要作用是調整激光筆的位置，指向點光源，可選取的類型如下方案：</p><p>　　方案一：步進電機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響。每給一次脈沖信號，電機能夠轉過一個步距角。</p><p>　　方案二：直流減速電機。此電機在正常通電狀態(tài)下，轉速平穩(wěn)，角度的變化也近乎連續(xù)，控制簡單方便。</p>

20、<p>　　根據設計的要求可知，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雜。直流減速電機除角度連續(xù)變化外，轉速平穩(wěn)，容易控制，因而選用第二種方案。</p><p>　　5.點電源的供電方案</p><p>　　根據題目要求：為產生150mA~350mA的LED驅動電流，采用亮度驅動芯片TPS61062。調試發(fā)現，電流不能夠滿足要求，最終決定在此基

21、礎上添加大功率三級管放大，經測試可行。</p><p><b>　　6.總方案的確定</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)方框圖</b></p><p&g

22、t;<b>　　三．理論分析及計算</b></p><p><b>　　1．點光源特性分析</b></p><p>　　根據題目中的要求，可以將點光源的運動分為沿圓周移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，根據運動軌跡的不同，選擇不同的坐標參量，具體如下：</p><p>　　a.沿圓周移

23、動點光源</p><p>　　此類運動趨勢的點光源設定為第一類點光源。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于求取單一變量：水平面的角度或其變化量。</p><p>　　b.沿其他任意方向移動的點光源</p><p>　　此類運動趨勢的點光源設定為第二類點光源。對于第二類光源，我們采用極

24、坐標來處理。因為點光源的指向問題與徑長的值不相關，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。</p><p>　　根據以上分析，可以將追蹤點光源的位置問題轉化為求解水平角度或仰角與水平角度的相關問題。降低了任務的復雜性，目標明確。</p><p><b>　　2</b></p><p>　　根據第一、二類點光源的特性及光照亮度來追

25、蹤光源的原理，依據簡易、精確控制與節(jié)約資源的原則，本設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。</p><p>　　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用于精確定位光</p><p>　　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

26、器調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）。此時傳感器的理想分布如下圖所示：</p><p>　　水平方向兩路傳感器與中間的夾角</p><p><b>　　計算如下：</b></p><p>　　;其中r為傳感器距離圓心的距離</p&

27、gt;<p>　　由實際可知r值相對比較小，近似計算，可得。根據實際調試的情況，選取左右。 豎直方向的布局分析與上述情況相同</p><p>　　圖2 傳感器布局分析圖</p><p>　　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。</p><p><b>　　圖

28、3傳感器電路</b></p><p><b>　　3.光照度分析</b></p><p>　　根據可見光照度傳感器的物理結構特征：內置敏感元接收器。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。</p><p>　　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。而本設計采用的點

29、光源在此基礎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：</p><p>　　假設面元ds受點光源S的光照，設點光源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：</p><p>　　對相鄰面元的光照分析與計算下

30、：</p><p>　　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，激光筆將準確定位在光源中心處。</p><p>　　圖3 光照度分析圖</p><p>

31、　　四．系統(tǒng)單元電路設計</p><p>　　檢測電路：傳感器檢測光照后，輸出的模擬量經過限幅、采樣保持處理后接入AD通道。</p><p><b>　　圖4 檢測電路</b></p><p>　　點光源電流控制電路：選取LED亮度控制器，輸出電流經大功率三極管后，接入負載。</p><p>　　圖5 點光源電流控制

32、電路</p><p>　　顯示、按鍵電路：由7279構成的顯示，按鍵電路</p><p>　　圖6 顯示、按鍵電路</p><p>　　電機驅動電路：采用電機驅動芯片L298控制電機</p><p>　　圖7 電機驅動電路</p><p><b>　　五．程序設計流程</b></p>

33、;<p><b>　　程序描述：</b></p><p>　　初始化部分：控制器配置</p><p>　　程序主體部分包括：光照度檢測，數據處理，狀態(tài)分析、控制執(zhí)行機構并循環(huán)。</p><p>　　控制系統(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)會每個一段時間分別顯示出4路傳感器的測量值，也可以通

34、過按按鍵K4，K5，K6來實現向上、向下、向左、向右四個方向的調節(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，經過一段</p><p>　　后，系統(tǒng)會自動調節(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 程序設計流程</p>&l

35、t;p><b>　　六．測試方案與結果</b></p><p>　　由理論分析可知，本系統(tǒng)對傳感器的精度要求比較高。主要就是微調傳感器的角度。</p><p><b>　　測試前的準備：</b></p><p>　　先給點光源通電，調整點光源的電流值，達到規(guī)定范圍內，然后在給其余設備供電后系統(tǒng)直接進入檢測傳感器是否能

36、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，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。</p><p><b>　　測試方法：</b></p><p>　　在測試前的準備工作結束后，先讓其自動運行，在自動找到點光源，并且激

37、光筆正確指示后，沿任意方向調整光源，觀測結果。</p><p><b>　　測試儀器及材料</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源數字萬用表 點光源支架</p><p><b>　　測試結果及拓展部分</b></p><p>　　點光源位置不變，移動激光筆的指示位置，測量數據如下表：</

38、p><p>　　表1：點光源位置不變的測量數據</p><p>　　點光源沿圓周運動，測量數據如下表：</p><p>　　表2：點光源沿圓周運動的測量數據</p><p>　　點光源沿直線LM運動，測量數據如下表：</p><p>　　表3：點光源沿直線LM運動的測量數據</p><p>　　點光

39、源在激光筆支架前的一定空間范圍內運動，測量數據如下表：</p><p>　　表4：點光源在一定空間范圍內運動的測量數據</p><p>　　經過反復調試，在規(guī)定區(qū)域內，激光筆能夠在5S內精確指示，誤差在5cm之內。此外，經測試，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，分低速、高速追蹤，效果良好。</p><p><

40、b>　　七．設計總結</b></p><p>　　綜合上述各部分的分析與測試結果，本設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)揮內容。通過本次的設計競賽，我們懂得了理論聯系實際的重要性，學到了很多東西，受益匪淺。</p><p><b>　　八．致謝</b></p><p>　　本文從課題的選定開始，系統(tǒng)方案的確定，

41、以及對設計電路的調試知道，到最后論文的編寫和完成交稿，xx老師給予了悉心的指導。對其中設計思路的引導，電路的可靠性，論文的嚴謹性等方面更傾注了她的精力和心血。在具體的設計問題中，能夠一針見血的之處問題所在，是我學到了許多的新知識，受益匪淺。她廣博的知識面，豐富的時間經歷以及嚴謹的治學作風，將激勵我在今后的工作和學習中豐富自己，努力進取，在此，特別向xx老師表示由衷的感謝和誠摯的敬意。</p><p>　　同時，感

42、謝同學對我的監(jiān)督和幫助，尤其感謝我們組的其他組員，他們在我的設計過程中給予我莫大的幫助。是同學們使我樹立起戰(zhàn)勝困難的信心，更重要的是，他們在我的設計過程中能夠大膽地提出問題和想法，給了我細微的源泉，讓我對這類設計有個更深一步的理解，同時也讓我對所學的專業(yè)更加感興趣。</p><p>　　最后，衷心感謝全系老師在這三年時間里給予我的關懷和教導，是你們讓我喜歡這個專業(yè)，也是你們讓我了解這個專業(yè)，更是你們給予我專業(yè)知識

43、，最后才促成了今天的設計。謝謝！</p><p><b>　　九．參考文獻</b></p><p>　　【1】康華光，電子技術基礎 高等教育出版社 2008.</p><p>　　【2】李增國，傳感器與檢測技術 北京航空航天大學出版社 2009.</p><p>　　【3】劉紅麗，張菊秀.傳感與檢測技術.北京：國防工業(yè)

44、出版社，2007</p><p>　　【4】蘇奎峰，呂強.TMS320F2812 原理與開發(fā)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2005【5】胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2005【6】沈庭芝，王衛(wèi)江.數學圖像處理及模式識別[M].北京理工大學出版社,2007.7【7】別塞克爾斯基.B.A.自動調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)綜合[M].北京：科學出版社，1977【8】Cortex-M3技術參考手冊</