点光源跟踪系统

【摘 要】此系统能够检测并指示点光源位置，光源跟踪系统放置在地面，通过使用光敏器件检测光照强度判断光源的位置，并以激光笔指示光源的位置。硬件部分有电源模块，LED光源模块，光强检测模块，步进电机及其驱动模块，激光笔，显示屏及STM32微控制器构成。软件采用均值滤波，以及PID调节算法。

【关键词】点光源；STM32；PID

点光源系统能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统。光源B使用单只1W白光LED，固定在一支架上。LED的电流能够在150～350mA的范围内调节。初始状态下光源中心线与支架间的夹角θ约为60?，光源距地面高约100cm，支架可以用手动方式沿着以A为圆心、半径r约173cm的圆周在不大于±45?的范围内移动，也可以沿直线LM移动。在光源后3cm距离内、光源中心线垂直平面上设置一直径不小于60cm暗色纸板。

光源跟踪系统A放置在地面，通过使用光敏器件检测光照强度判断光源的位置，并以激光笔指示光源的位置。

一、硬件设计

硬件部分有电源模块，LED光源模块，光强检测模块，步进电机及其驱动模块，激光笔，显示屏及STM32微控制器构成。

电源模块设计：开关电源输出12V，通过LM2940转换成5V，在通过AMS1117-3.3V转换成3.3V。电源模块电路图如图1所示。

图1 电源模块

图2 LED光源模块

LED光源模块电路由1W白光LED及其驱动电路构成。主要构成器件是TI公司的LED驱动芯片TPS61062、电压反馈运算放大器OPA820作为全面集成的同步升压变换器，它无须外接肖特基二极管就能够达到尺寸最小的目的，所需的外部组建数量小。对该电路进行分析并实际测试可得，改变Rs的阻值可调节LED的电流。经检验可以达到电流300±15mA，功率1W的要求。如图2所示。

光强检测模块由8个光敏三极管组成，实际操作发现光敏三极管在不同环境感应出来的值有很大差别，特别是受外界光照影响比较明显。为确保单片机能捕捉到传感器的电压变化，在每个光敏三极管发射极加一个普通三极管。单个光敏三极管接收光线的电路如图3所示。Q8为三极管C9013，能对光敏三极管的电流起扩大作用，利于单片机捕捉光敏三极管的变化。传感器布在一个十字交叉电路板上，如图4所示。

图3 光敏三极管电路

图4 光敏三极管布局图

步进电机及其驱动模块采用UIN2003A驱动。ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。

二、软件设计

根据各个功能模块画出结构框图，如图5所示。

图5 系统结构图

程序开始运行，首先检测每个光敏三极管的电压值，比较图5中 Q1，Q2，Q3，Q4的AD值确定，水平平移方向。再根据Q5，Q6，Q7，Q8的值确定竖直移动方向。这里需要格外注意的是，认为相等的阈值可能会有温漂的影响，注意调整阈值。程序流程图如图6所示。

图6 程序流程图

三、实物展示

图7 实物展示图

作者简介：冯仰刚（1990—），男，江苏邳州人，大学本科，现就读于长安大学。