点光源跟踪系统（B题）
摘要：本系统以STM32单片机作为控制处理核心，设计并制作了一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统。
该系统的主电路主要由传感器模块、步进电机驱动模块、液晶显示模块和电源模块组成，将光敏三极管、光敏电阻、激光笔与步进电机固定，利用光敏三极管和光敏电阻检测光照强度判断光源位置，控制步进电机转动来调整传感器和激光笔的转动角度，从而跟随点光源的移动而转动，准确跟踪点光源。
本系统还具有人机交换界面，各参数及测试模式可由键盘输入并显示，智能性好，反应速度快，最终完成了题目的所有基本指标及全部发挥部分的要求。
关键词：STM32；光敏三极管；光敏电阻；光源跟踪
一、系统方案
1.1整体方案描述
本系统由点光源和光源跟踪模块两大部分构成，以STM32单片机为控制核心实现了点光源识别、点光源跟踪、模式设定、液晶显示及激光笔精确指示等功能。
光源由功率LED组成，通过改变回路中滑动变阻器的阻值大小，来改变功率LED 电流的大小，使电流能在150mA~350mA的范围内调节。
光源跟踪模块由STM32
单片机、步进电机、传感器电路、激光笔组成。
当点光源移动时，传感器电路的光敏三极管和光敏电阻检测到点光源强度发生改变，通过STM32单片机AD采样处理，控制步进电机的转动，使激光笔始终指向点光源中心，即达到点光源跟踪的目的。
本系统总体结构框图如图1所示。
图1 系统总体结构框图
1.2方案比较与选择
1.1.1光源检测方案选择
方案一：由光敏元件检测中心线处的光源强度，实现光电转换，通过AD采样，检测电压的变化，设计算法实现光源立体坐标的检测。
此方案运用软硬结合的方法可以检测出光强的微小变化，硬件电路和算法都比较简单。
方案二：硅光电池检测中心线处的光源强度，实现光电转换，通过电压比较器检测电压的微小变化，处理过程基本由硬件完成，调试过程复杂。
综合上述比较，考虑到本系统抗干扰能力要求较高，采用光敏元件检测，硬件结构简单，环境适应性较强，故选择方案一。
1.1.2传感器选择
方案一:采用光敏电阻检测点光源强度变化。
光敏电阻是利用光的入射引起半导体电阻的变化来进行工作的，具有灵敏度高，光谱响应范围宽，重量轻，抗过载能力强以及耗散功率大等特点。
方案二:采用光电二极管检测点光源强度变化。
光敏二极管的优点是线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低，小型轻量以及耐振
动与冲击等；缺点是输出电流小。
方案三:采用光电三极管检测点光源强度变化。
光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。
不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。
综合上述比较，考虑到本设计采用五路传感器检测，中路传感器要求灵敏度高且小型轻量，故选择光敏电阻；旁路传感器要求输出电流大，灵敏度高，为了提高系统稳定性，故选择光敏三极管和光敏电阻。
因此，传感器最终采用方案一和方案三相结合的方式。
1.1.3控制电机的选择
方案一：采用直流减速电机控制激光笔。
直流减速电机节省空间、可靠耐用、调速范围大等优点。
但直流电机控制精度差，不能精确控制的所转的角度。
方案二：采用舵机驱动。
舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，具有良好的速度控制特性，减速效率可达90%以上，但是舵机的误差最小为0.18度。
方案三：采用两相四线步进电机驱动。
两相四线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步进电机件，有较好的位置精度和运动的重复性，优秀的启停和反转效应，速度正比于脉冲频率，因而有较高的转速范围。
同时，采用具有细分功能的驱动电路驱动，精度可高达25600步数/转，误差最小为0.00004度。
综合上述比较，考虑本设计要求激光笔精准指向点光源中心，且激光笔与点光源距离达2米，精度要求极高，故选择方案三。
二、理论分析与计算
2.1两相四线步进电机的精度分析与计算
根据题目要求，激光笔光点应能指向LED的中心，LED的直径大约为5mm,按题意激光笔指示器与LED的水平距离约173cm，支架高约100cm，故LED与光点距离约为200cm。
本设计方案采用具有细分功能的驱动电路驱动步进电机转动，细分精度为3200步/转，每步进旋转角度为0.1125°，相当于激光笔在暗黑纸板上运动约3.9mm，完全可满足本题目所要求的控制精度。
两相四线步进电机驱动模块通过三个拨码开关设定细分精度，细分设定功能如表1所示。
表1：步进电机细分设定
2.2 光强信号采集环节设计精度分析与计算
STM32单片机内置有12位的A/D器件，可以采用内部或外部的参考电压。
本系统采用STM32单片机内置A/D器件，选择内部3.3V的参考电压，所以输入的最大模拟信号幅度为3.3V，最小的分辨率约为0.8mV，完全可满足题目要求。
2.3 功率LED电流调节
LED的亮度取决于流过的电流，因此调节LED电流可以改变LED的光强。
本实验中采用大功率LED，该LED可以承受的最大电流为500mA，完全满足LED 电流的调节要求，并且有适当的电流余量。
在电源电压为5V时，点光源电路串接12欧的固定功率电阻和33欧的可调电阻，即可实现光源LED的电流能够在150mA~350mA的范围内调节。
光源LED最大电流I max和最小电流I min计算如下：
⁄≈416.7mA ⑴
I max=5V12Ω
⁄≈111.1mA ⑵
I min=5V(12Ω+33Ω)
三、电路与程序设计
3.1 电路设计
3.1.1 点光源模块
点光源模块选用额定功率为1W的功率LED，采用5V稳压供电，在点光源电路串接12欧的固定功率电阻和33欧的可调电阻，即可实现光源LED的电流能够在150mA~350mA的范围内调节，点光源模块如图2所示。
图2 点光源模块
3.1.2 传感器模块
本设计采用五路传感器检测，结合两路光电三极管和三路光敏电阻，将光照强度转化为电压值，经过截止频率为10Hz的低通滤波器滤除干扰信号，再由单片机AD采集及数据处理，准确判断点光源位置，快速跟踪点光源。
中路传感器采用光敏电阻，置于10cm长黑色细管一端，准确判断光强最大点位置（即点光源位置）。
旁路采用两路光敏三极管和两路光敏电阻相结合的方式辅助判断光强变化情况，从而精确控制步进电机运动，使激光笔精准指向点光源中心。
传感器模型及模块电路如图3、4所示。
图3 传感器模型
图4 传感器模块电路
3.1.3 步进电机驱动模块
本设计方案采用具有细分功能的两相四线步进电机驱动电路驱动步进电机转动，设计细分精度为3200步/转，每步进旋转角度为0.1125°，相当于激光笔在暗黑纸板上运动约3.9mm，完全可满足本题目所要求的控制精度。
步进电机驱动模块具体电路如图5所示。
图5 步进电机驱动模块
3.2 程序设计
系统主程序流程图如下图6所示。
图6 主程序流程图
四、测试方案与测试结果
4.1 测量工具，如表2所示
表2 测量工具
4.2 测试方法及结果
表3 激光笔调离点光源中心后重新指向点光源所需时间及偏离误差
表5 光源支架旋转角度β，激光笔重新移向光源所需时间及偏离误差
表6 光源支架沿着直线LM缓慢移动60cm时，激光笔指向光源所需时间及偏离误差
五、总结
本光源跟踪系统以STM32单片机作为控制处理核心，实现了点光源的位置检测和跟踪指示。
采用五路传感器检测电路检测光强信息，经单片机AD采集处理，准确判断点光源位置，控制步进电机转动的角度及方向，快速跟踪点光源，并通过激光笔来指示点光源位置。
当移动激光笔光点偏离点光源时，传感器能够快速调整方向使光点重新指向点光源；对于不同的LED亮度，移动光源支架，传感器能缓慢跟踪点光源转动；转动光源支架使纸板旋转一定角度，传感器也能检测到光照强度的变化并跟踪点光源转动，最终使激光笔光点基本对准点光源。
整个设计出色的完成了题目的所有基本指标及全部发挥部分的要求。
在此感谢大赛组委会给我们创造了一个锻炼我们、展示我们的机会，同时也感谢学校、老师对我们的支持和帮助！
参考文献
【1】宁武唐晓宇闫晓金《全国大学生电子设计竞赛基本技能指导》北京：电子工业出版社，2009.5
【2】张华林周小方《电子设计竞赛实训教程》北京：北京航空航天大学出版社，2007.7
【3】谢兴红林凡强吴雄英《MSP430单片机基础与实践》北京：北京航空航天大学出版社，2008.1。