点光源跟踪系统 摘要：本系统是以单片机的最小系统为控制核心，分为点光源、信号采集、信号放大、步进电机和人机交互模块等部分该系统通过控制步进电机正反转来追踪在一定范围内移动的点光源；当支架用手动方式沿着以跟踪系统为圆心、半径r约173cm的圆周在不大于±45º的范围内移动，也可以沿直线以该圆的一个切线移动，该追踪系统都能锁定点光源的位置一、 方案论证和比较 a）信号采集元件的选择 方案一：利用光敏电阻在不同光照强度下电阻阻值随光照强度的增强而减小的原理来提取信号光敏电阻比较稳定，能够很好的把光信号转变为电信号，而且经济适用；但其反应不够灵敏，而且受周围环境温度的影响比较大 方案二：使用光敏二极管作为采光元件当遇到外界光照时，光敏电阻内PN结的电子和空穴会增多从而其值会下降它感光性能良好，稳定而且反应速度快；但是其电流值太小，不便于信号的提取，后级需要很大的信号放大，这样就导致误差增大 方案三：使用光敏三极管作为信号提取原件光敏三级管不仅采光性能灵敏稳定，而且其本身就具备电流放大作用；如果仍不能达到要求可以使用达林顿光敏三极管来放大电流。
综合考虑上述三种方案，我们最终选择方案三 b）电机的选择电机是整个系统的动力源，而题目并没有规定使用何种电机，所以在系统设计之初首先面临的一个问题便是选用什么电机方案一：采用直流电动机直流电机输出功率大，带负载能力强，驱动电路简单，但精确控制直流电机转动角度不易实现方案二：使用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角，具有较强的快速启停能力其控制特性如图所示θ= ck ,其中θ为步进电机的角位移量,k 为脉冲数, c 为常数这一线性关系的存在，使得步进电机只有周期性的误差而无累积误差，这一特性是整个系统方案的基础我们采用的是四相八拍步进电机 C）电机驱动模块的选择 方案一：直接用单片机输出四相脉冲来控制L298驱动步进电机正反转，当顺序为A-B、B、B-C、C、C-D、D、D-A时，步进电机正转，当顺序为A-D、D、D-C、C、BC-B、B-A、A时步进电机反转这个方案减少了硬件电路，但实际操作起来给程序增加了很多负担，而且通过单片机送出来的相序不够稳定，所以导致电机运行不够稳方案二：添加一个L297芯片来驱动L298。
单片机只需要给L297的方向端送1或0来控制电机的正反转，这样单片机控制起来相当简单，而且电机运行也很稳定为了便于控制，我们选择了方案二二、 系统结构框图 MSP430F449型单片机五路信号采集LCD实时显示五路信号控制两个步进电机正反转LED控制探头追踪电光源本系统以MSP430作为主要控制器来对整个系统进行协调控制信号采集模块把实时采集的模拟的信号传给MSP430内部A/D转换器进行转换单片机把转换后的数据送到LCD显示方便观察与此同时，单片机对数据进行处理并根据需要不断调整两个步进电机调整方向在本系统中，单片机通过分频来输出可以调节频率的方波信号来控制步进电机的转速，从而让搜索系统运行稳定三、基本原理与具体实现1）检测光照强度电路的设计激光笔AEDBC 探头设计 图一 如图所示，其中A、B、C、D、E是五个同一型号的光敏三极管，在光照相同的情况下，他们的感光性能相当通过以E号光敏三极管为中心，A、C以BD直线对称，B、D以AC直线对称当探头正对准电光源时，E号光敏三极管感受到的光强最强，激光笔发出的激光正好对准点光源当偏离探头没有对准点光源时，这样就导致A、B、C、D其中某一个三极管感受到的光强比E号强；在水平方向，通过判断B、D中哪一个光强比E号的强来调整控制水平方向方位步进电机向受光照强度大的那个光敏三极管旋转来确保E号始终置中；在竖直方向，通过判断A、C中哪一个光强比E号的强来调整控制水平方向方位步进电机向受光照强度大的那个光敏三极管旋转来确保E号始终置中。
2）电机驱动设计a)单片机只需控制L297的17号引脚就可以控制步进电机的正反转只需给18号引脚输入一定频率的方波即可控制步进电机的转速 b) 由于在使用上一种方法驱动电路时发现电机的步进角很大，为了达到减小步进角的目的，我们最终放弃了上一种驱动电路方案，利用THB7128芯片对电机的步进角细分细分不仅可以使电机稳定运行，还让电机运动时保证电流很小，这样对电机和我们做的电源得到很好的保护鉴如此，我们选择了此方案，电路图如下： 3）信号采集电路设计 图三 信号采集及放大电路 当有光照时，光敏三极管上会产生电流信号，通过R1把电流信号转变为电压信号然后通过一个同向放大器把微弱的电压信号放大送给A/D转换器，最后把数据给单片机进行数据处理比较四 程序设计 一号电机控制左右方向旋转，二号电机控制上下旋转，程序开始运行时优先判断左右方向，在左右方向达到正确位置时一号停止，然后再来判断上下 开始初始化五路信号输入A/D转换B、E、D进行比较E最大？是一号电机停止B、D比较 B大？一号电机正转是一号电机反转不是不是A、E、C进行比较,E最大?二号电机停止是A比C大？不是二号电机正转二号电机反转不是五 调试遇到的问题及解决方法1）在进行上下扫描时步进电机由于探头中心有些不平衡运动时动作容易过大，使探头很难在需要停的位置急停，考虑到上下摆动的角度要求得比较很小，这样我们只需用挡板控制其摆动的角度。
2）在最后调试过程中发现电机的步进角有点大，使探头很难精准锁定目标鉴于此，我们使用了THB7128细分芯片，用它驱动步进电机使步进角变小细分后电机的确变得相当稳定精准3）光敏三极管很容易受到外界光照的影响a）我们使用的点光源为led，它发出的光为自然光我们使用的是3du33，这种型号的光敏三极管能够感应到峰值波长为880nm可见光占自然光的50%，其波长范围为380nm~770nm，所以3du33能够感受的光的比例大于50%，所以，白天调试时当外面的光线很强就会对探头造成很大的干扰b）晚间使用的照明灯也会干扰探头，因为我们照明灯使用的是220V 50HZ的交流电，所以产生的光照强度也会随着交流电频率变化，这种光线对探头的影响很大，导致系统相当不稳定4）电流过大问题由于我们使用了两台步进电机，一台运行时大概是0.8A,两台就是1.6A,而我们设计的电源模块的芯片只能通过1.5A，所以在程序设计时我们刻意使每次只运行一个电机，保证电流不至于高于芯片的额定电流5）在最终的调试的过程中我们发现电机开始运行时很容易随机的转动，就是要求其按某个方向转动时电机有时向反方向转动我们采取的方法是程序设计，记录100次结果，判断其中某个方向数比其反方向数多时就向那个方向转动。
这样的确解决了相关问题。