全国大学生电子设计竞赛 2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛
电子设计报告
点光源跟踪系统（B题）
组员：樊华 姚文涵 沈洁 学校：南京师范大学中北学院 专业：电子信息工程
指导老师： 朱晓舒
南京师范大学中北学院 樊华 沈洁 姚文涵 第 1 页 共 21 页
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目 录
摘 要 ................................................................................................................................................ 3 关键词 .............................................................................................................................................. 3 一、引言 .......................................................................................................................................... 4 二、系统方案选择与论证 ............................................................................................................... 5
2.1各种方案设想及论证、优缺点 ........................................................................................ 5
2.1.1 光敏元件选择方案 ............................................................................................... 5 2.1.2 光源检测方案 ....................................................................................................... 6 2.1.3 传感器布局方案 ..................................................................................................... 7 2.1.4光电跟踪系统前置放大电路方案 ........................................................................ 7 2.1.5 外界环境干扰及其消除方案 ............................................................................... 8
三、理论分析与计算....................................................................................................................... 8
3.1 LED亮度可调电路的理论分析与计算 ............................................................................ 8 3.2光电跟踪系统前置放大电路理论分析与计算 ................................................................ 9 四、电路与程序设计..................................................................................................................... 11
4.1系统的硬件设计 .............................................................................................................. 11
4.1.1微处理和微控制系统单片机 .............................................................................. 11 4.1.2电机类型选择 ...................................................................................................... 11 4.1.3系统供电电源设计 .............................................................................................. 11 4.1.4点光源LED亮度可调电路 .................................................................................. 12 4.1.5 光电跟踪系统前置放大电路（跨阻放大器） ................................................. 12 4.1.6步进电机驱动电路 .............................................................................................. 12 4.1.7 机械部分的设计 ................................................................................................. 12 4.1.8系统总体硬件电路框图 ...................................................................................... 13 4.2系统的软件设计 .............................................................................................................. 13
4.2.1 软件设计总体思想 ............................................................................................. 13 4.2.2 系统软件结构设计框图 ..................................................................................... 13
五、测试方案、结果及分析 ......................................................................................................... 15 六、部分设计亮点及调试难点解决方案 ..................................................................................... 16
6.1 硬件电路设计创意 ......................................................................................................... 16 6.2 用光的特性（直线性）设计检测方法，进行位置精确定位 ..................................... 16 6.3 软件部分控制精髓 ......................................................................................................... 17 七、总结 ........................................................................................................................................ 17 八、结束语 .................................................................................................................................... 17 九、附录 ........................................................................................................................................ 18
附录一：系统+12V、+5V供电电源电路图 ........................................................................ 18 附录二：LED亮度可调电路 ................................................................................................ 18 附录三：光源跟踪系统前置放大电路（I-V转换电路） .................................................. 19 附录四：TLV1544 AD转换电路 ......................................................................................... 19 附录五：步进电机驱动电路图 ............................................................................................. 19 附录六：整机系统相关电路图 ............................................................................................. 20 附录七：整机系统实物图 ..................................................................................................... 20 十、参考文献 ................................................................................................................................ 21
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摘 要
本设计以TI公司的超低功耗MCU MSP430 处理器为核心设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统，该光源跟踪系统能够跟踪点光源位置并由激光笔尽快指向点光源的光电方式定位，以考核光源跟踪系统跟踪点光源的灵敏度以及激光瞄准点光源的精确性来评判设计完成指标。通过运用光敏元件（如光电池、光敏电阻，光敏二极管，红外接收管等）的特性、光线的物理性质（直线传播）、单片机MSP430 的强大功能及部分外围电路设计，步进电机控制、算法构思来探寻光源定位的方法，以实现路径检测和点光源的精确定位。本文着重讨论电机控制与光源检测以及对点光源的定位方法。
关键词：光源跟踪、点光源精确定位、光敏元件、MSP 430、步进电
机控制
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一、引言
在现代社会中，定位瞄准技术在人类生产生活中的作用日益重要，从卫星发射、航空航天，到地质勘探、资源开发，无一不见它的踪影。随着技术的进步，定位瞄准的实现手段也越来越多样化，大至日渐成熟的激光定位、激光瞄准，小至实用的光敏电阻、硅光电池、四象限光电二极管等，各具特色。
本设计应达到的技术要求
设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统，并在其上安装由电动机驱动的可以自由旋转的寻迹指示枪，在寻迹指示枪上安装激光笔。控制寻迹指示枪快速旋转寻迹，并同时以光电方式瞄准点光源，实现激光对点光源的精确定位。
本设计考核光源跟踪系统跟踪点光源的灵敏度以及激光瞄准点光源的精确性。整个设计系统如图1所示：
图1系统示意图
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二、系统方案选择与论证
2.1各种方案设想及论证、优缺点
2.1.1 光敏元件选择方案
光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。
光敏器件种类很多，如：光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电耦合器、光纤等等。在计算机、自动检测、控制系统应用 非常广泛。
方案一：采用光敏电阻 方案二：采用光敏二极管 方案三：采用红外接收管
方案四：采用光电池，光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池频率响应较好硒光电池较差。所以一般采用硅光电池作为传感器元件。
光敏电阻，光敏二极管，红外接收管，硅光电池对光敏感性特性对比 光敏元件 光敏电阻 性质 对光源敏感度 电压变化曲线 相对平稳 检测距离（试验验证） 检测距离有 限,题目要求2m远处感应电压信号很弱 检测距离相对较远，能 达到2m甚至更远处亦能采集到有用信号 距离相对较 远，符合检测要求 受外界光线干扰情况 易受外界光 线，特别是白天普通可见光影响 易受外界光线干扰 纯阻性器件，阻抗与外界两端电压随光线有关 光照强度变 化 有二极管特性 其导通条件还和外界光线有关 光敏二极管 相对平稳 红外接收管 和光敏二极管差不多 不过只受红外光控制 方向性很强变化率相对 较大 方向性强，受外界干扰小，精度高。特别适合红外光成分较多的光线 易受外界光线干扰 硅光电池 是一个大面积PN结 受到光照时产生的电动势和电流较大 相对平稳 检测距离相对较远，能 达到2m甚至更远处亦能采集到有用信号 南京师范大学中北学院 樊华 沈洁 姚文涵 第 5 页 共 21 页