點光源跟蹤系統(tǒng)

【摘 要】此系統(tǒng)能夠檢測并指示點光源位置，光源跟蹤系統(tǒng)放置在地面，通過使用光敏器件檢測光照強度判斷光源的位置，并以激光筆指示光源的位置。硬件部分有電源模塊，LED光源模塊，光強檢測模塊，步進(jìn)電機及其驅(qū)動模塊，激光筆，顯示屏及STM32微控制器構(gòu)成。軟件采用均值濾波，以及PID調(diào)節(jié)算法。

【關(guān)鍵詞】點光源；STM32；PID

點光源系統(tǒng)能夠檢測并指示點光源位置的光源跟蹤系統(tǒng)。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150～350mA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θ約為60o，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的圓周在不大于±45o的范圍內(nèi)移動，也可以沿直線LM移動。在光源后3cm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度判斷光源的位置，并以激光筆指示光源的位置。

一、硬件設(shè)計

硬件部分有電源模塊，LED光源模塊，光強檢測模塊，步進(jìn)電機及其驅(qū)動模塊，激光筆，顯示屏及STM32微控制器構(gòu)成。

電源模塊設(shè)計：開關(guān)電源輸出12V，通過LM2940轉(zhuǎn)換成5V，在通過AMS1117-3.3V轉(zhuǎn)換成3.3V。電源模塊電路圖如圖1所示。

圖1 電源模塊

圖2 LED光源模塊

LED光源模塊電路由1W白光LED及其驅(qū)動電路構(gòu)成。主要構(gòu)成器件是TI公司的LED驅(qū)動芯片TPS61062、電壓反饋運算放大器OPA820作為全面集成的同步升壓變換器，它無須外接肖特基二極管就能夠達(dá)到尺寸最小的目的，所需的外部組建數(shù)量小。對該電路進(jìn)行分析并實際測試可得，改變Rs的阻值可調(diào)節(jié)LED的電流。經(jīng)檢驗可以達(dá)到電流300±15mA，功率1W的要求。如圖2所示。

光強檢測模塊由8個光敏三極管組成，實際操作發(fā)現(xiàn)光敏三極管在不同環(huán)境感應(yīng)出來的值有很大差別，特別是受外界光照影響比較明顯。為確保單片機能捕捉到傳感器的電壓變化，在每個光敏三極管發(fā)射極加一個普通三極管。單個光敏三極管接收光線的電路如圖3所示。Q8為三極管C9013，能對光敏三極管的電流起擴大作用，利于單片機捕捉光敏三極管的變化。傳感器布在一個十字交叉電路板上，如圖4所示。

圖3 光敏三極管電路

圖4 光敏三極管布局圖

步進(jìn)電機及其驅(qū)動模塊采用UIN2003A驅(qū)動。ULN2003A是一個7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時ULN2003A輸出端為高電平。

二、軟件設(shè)計

根據(jù)各個功能模塊畫出結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

程序開始運行，首先檢測每個光敏三極管的電壓值，比較圖5中Q1，Q2，Q3，Q4的AD值確定，水平平移方向。再根據(jù)Q5，Q6，Q7，Q8的值確定豎直移動方向。這里需要格外注意的是，認(rèn)為相等的閾值可能會有溫漂的影響，注意調(diào)整閾值。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

三、實物展示

圖7 實物展示圖

作者簡介：馮仰剛（1990—），男，江蘇邳州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于長安大學(xué)。