3_光源自动跟踪系统课程设计解答

《自动跟踪——红外传感器和碰撞传感器的综合应用》教学设计方案（第一课时）一、教学目标：1. 知识与技能：学生能够理解红外传感器和碰撞传感器的工作原理，掌握如何将两者结合实现自动跟踪功能。

2. 过程与方法：通过实践操作，学生能够熟练应用相关软件进行电路设计和焊接。

3. 情感态度价值观：培养学生探究科学技术的兴趣，树立实践创新的认识。

二、教学重难点：1. 教学重点：引导学生实际操作，完成红外传感器和碰撞传感器的综合应用，实现自动跟踪功能。

2. 教学难点：如何引导学生解决焊接过程中可能出现的问题，以及如何更好地理解并实现自动跟踪的原理。

三、教学准备：1. 准备相关传感器、电路板、焊接工具等实验器械。

2. 准备红外传感器和碰撞传感器的工作原理介绍PPT。

3. 准备实验操作指导手册，以及可能出现问题和解决方案的备忘录。

4. 安排实验室，确保环境适宜进行实验操作。

四、教学过程：本节课是初中信息技术课程《自动跟踪——红外传感器和碰撞传感器的综合应用》教学设计的第一课时。

以下是具体的教学过程：1. 导入新课：起首，通过展示一些生活中自动跟踪技术的实际应用，如无人驾驶汽车、智能家居等，引导学生思考自动跟踪技术的重要性，并引出本节课的主题——红外传感器和碰撞传感器的综合应用。

2. 基础知识讲解：接下来，介绍红外传感器和碰撞传感器的基本原理和工作方式，让学生了解它们在自动跟踪技术中的重要作用。

同时，诠释如何将这两种传感器结合起来实现自动跟踪功能。

3. 实验操作：让学生动手实践，通过毗连传感器、编写程序等方式，实现红外传感器和碰撞传感器在控制板上的综合应用。

教师进行巡视指导，帮助学生解决遇到的问题。

4. 小组讨论：在实验操作结束后，组织小组讨论，让学生分享自己的实验效果和经验，互相学习，加深对知识的理解。

同时，教师可针对学生普遍存在的问题进行集中讲解。

5. 案例分析：通过展示一些实际应用的案例，如智能小车、智能家居等，引导学生分析这些案例中如何运用红外传感器和碰撞传感器来实现自动跟踪功能，加深学生对知识的理解和应用能力。

光源自动跟踪系统设计系统建模一、引言光源自动跟踪系统是一种能够自动调节光源方向的系统，可以在不同的环境下保持照明效果稳定，提高照明效率和舒适度。

本文将介绍该系统的设计和建模。

二、系统设计1. 系统组成光源自动跟踪系统由传感器、控制器和执行器三部分组成。

传感器负责检测环境亮度和人体位置，控制器根据传感器反馈的信息计算出最优的光源方向指令，执行器则根据指令调节光源方向。

2. 传感器选择为了实现对环境亮度和人体位置的检测，我们选择了光敏电阻和红外传感器作为传感器。

光敏电阻可以检测环境亮度，并将其转化为电信号输出；红外传感器可以检测人体位置，并将其转化为数字信号输出。

3. 控制算法控制算法是整个系统的核心部分，它决定了最终的光源方向。

我们采用PID控制算法来实现自动跟踪功能。

PID控制算法通过比较目标值与实际值之间的误差来调整输出量，从而实现对光源方向的控制。

4. 执行器选择为了实现对光源方向的调节，我们选择了舵机作为执行器。

舵机可以根据输入的PWM信号调整自身角度，从而实现对光源方向的调节。

三、系统建模1. 传感器模型光敏电阻和红外传感器都可以用简单的数学模型来描述。

光敏电阻的输出电压与环境亮度成反比，可以用以下公式表示：V = K / L其中V为输出电压，K为常数，L为环境亮度。

红外传感器可以将人体位置转化为数字信号输出。

我们假设人体位置在传感器正前方时输出最大值，离开传感器越远输出越小，并且在一定范围内保持线性关系。

因此，红外传感器的数学模型可以表示为：D = K * (1 - |x| / L)其中D为数字输出值，K、L为常数，x表示人体位置与传感器正前方的距离。

2. 控制算法模型PID控制算法是一种经典的控制算法，在工业自动化领域得到广泛应用。

其基本原理是通过比较目标值和实际值之间的误差来调整输出量，从而实现对被控对象的控制。

PID控制算法可以用以下公式表示：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t) / dt其中u(t)为输出量，e(t)为误差，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数。

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)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。

点光源跟踪系统（B题）方案设计报告摘要：本方案使用TI公司生产的MSP430F247为主控芯片，以TPS61062为核心设计了白光LED驱动电路，应用OPA2335作放大器制作了光源检测电路。

本系统利用以激光笔为中心水平和垂直方向上对称分布的四个光敏三极管为探测端接收光源信号，再利用自适应环境算法、电机分段调速等多种算法实现激光束对白光光源的实时跟踪。

本系统成功完成了基础部分和发挥部分的要求，最终定位误差可控制在1.5cm以内。

关键字: 减速步进电机控制LED电流控制自适应算法一、系统方案的选择1.系统测光部件的选择方案一：以四个光敏电阻为探测端分别对称分布于激光笔水平和垂直方向上，中心处即激光束发光点。

利用光敏电阻在不同光强下电阻值的变化与一个定值电阻串联来输出不同分压值进行判断，当光敏电阻正对光源时电压最大，偏离时电压值线性下降。

方案二：使用四个光敏三极管为测光部件采用方案一的布局方式和工作方式制作探测端，但因三极管有β倍的电流放大作用且光源偏离三极管正对方向时电压值下降的波形斜率更大，所以微小位移的幅值变化更明显。

考虑到二者光敏特性曲线的斜率和幅值变化范围等方面因素，故最终选择方案二。

2.光源跟踪系统转动的控制方案选择方案一：光源跟踪系统由双舵机构成“云台”式结构，机械结构简单、稳定，且舵机在两个方向上都可以做到180°自由的转动，转动速度通过PWM波的占空比控制，但舵机本身控制转角的精度可能使连续小角度定位时产生抖动。

方案二：水平方向利用带减速箱的步进电机控制，垂直方向上利用舵机控制转动。

由于减速箱的使用相当于使步进电机的步长角度变得非常小，使在2米外的光源附近的激光束移动时很平滑，可以做到精确步长控制的连续定位，但缺点是减速箱和电机的完全啮合有一定难度，需要较高的机械加工精度。

综上所述，方案一控制方法最为简易，但控制稳定性可能不足；方案二控制精确度高。

由于本次题目应优先考虑稳定性和准确性，故最终选择方案二。

太阳光自动跟踪系统课程设计太阳光自动跟踪系统，听起来是不是有点高大上？其实说白了，就是一个能自动跟着太阳转的设备，简单点说，就是“阳光大追踪”。

你是不是已经想象到那个阳光照射下来，跟着阳光走，一直不离不弃的场景了？其实这就是太阳能发电的一个重要环节，咱们把它搞得聪明一点，让它自己动起来，追着太阳走，这样能更好地吸收阳光，提高发电效率。

不信？你往下看，保证让你眼前一亮。

咱得知道，太阳能发电要靠阳光。

你想呀，太阳一出来，咱们就等着吸收它的能量，但光照强度不同的时候，怎么能最有效地利用太阳能呢？这时候，咱们就得用太阳光自动跟踪系统了。

这个系统呢，通俗点说，就是给光伏电池板装上一双“眼睛”，让它能看到太阳，然后根据太阳的位置，自动调整角度。

就像咱们平常看电影的时候，电视遥控器能调节角度一样，太阳光自动跟踪系统就能调整光伏板的方向，使其始终对准太阳，保证最大限度地吸收太阳能。

你要是问，为什么不直接让太阳能板朝一个固定的方向就行了呢？唉，这问题可难不倒我。

因为太阳从早到晚的路径是不一样的。

早上从升起，下午落到西方，你要是把光伏板固定不动，太阳照射的角度就会一直变化，结果呢，电池板吸收的太阳能就不够多，效率也就大打折扣了。

对吧？就像你一整天都对着太阳背面站，怎么可能晒到好太阳？不过，太阳光自动跟踪系统就不同了，它能通过一系列巧妙的装置，全天候调节板子的角度，始终保持最优的光照位置。

这一切的核心其实就是那些传感器。

别看它们个头不大，作用可不小。

它们会感应太阳的位置，然后通过控制系统计算出光伏板应该转到什么角度。

然后，电机一启动，板子就开始转动，跟着太阳跑。

这过程啊，看着真是简单，实际操作起来，可是有一套复杂的技术在里面。

你想想，传感器得精确，电机得有劲，还得考虑到各种环境因素，比如风速、温度啥的。

这就像是在和太阳斗智斗勇，你追我赶，谁也不愿意掉队。

其实你仔细想想，太阳光自动跟踪系统就像是一个忠实的小跟班。

它总是默默地执行着它的任务，似乎没什么大不了的，但它的努力却决定了电池板的吸收效率。

《现代电子技术及应用》课程大作业发光物自动跟踪电路设计姓名张欣怡班级光信1501学号2015010483二0一七年十二月22 日发光物自动跟踪电路实验要求发光物，自动探测光斑位置并控制云台跟踪探测光斑位置；抗其他光源干扰；控制云台（电机）实验目的和意义1、理解各种通用、专用集成运算放大器的工作原理、特性，能够利用这些集成芯片实现交直流信号放大、运算等各种处理；2、能够实现电信号转换；3、掌握调制解调技术的原理、特性和实现方法并能将之应用在实际系统中。

实验原理和实现方法一、总体介绍（1）激光光源部分：555实现方波信号，调制激光光源。

（2）追踪器部分：由光电探测原理可知，每个象限输出的电信号(电流)强弱与该象限探测器光敏面接收到的光能量多少是一致的。

但严格来讲，分布在四角限上的光斑能量是不均匀的，通常是呈高斯分布的，要计算每个象限的光能量必须用积分的方法。

但在要求不太高的情况下可近似的把光斑的分布看成是均匀的，若光束光斑的光强度是均匀分布的，则落到每个象限中的光能量与该象限中的光斑大小是成正比例的。

通过四象限探测器测量出由激光束的光斑位置变化引起的电流变化，得到光斑的两个方向的偏移量，从而来确定光斑中心位置。

图1，坐标计算公式利用LM324实现流压转换，AD633实现解调，741实现滤波、加（减）法器，AD538实现除法器（3）云台部分：功放是将AD538除法器的输出放大，用来驱动电机的模块。

放大倍数G是由电阻R1和R2。

的比值决定的，即G=R2R1设计思路如下图所示：图2，设计思路二、分模块介绍注：本实验设计为两象限追踪系统实现了水平方向上发光物追踪功能1、光源调制a、电路分析选用555定时器产生方波，利用三极管可作为开关的特性设计电路555定时器在之前的实验中有过详细说明在此不过多介绍下面介绍一下三极管作为开关的特性如下图3（a）、（b）所示图3（a），截止态图3（b），饱和态如上图所示，截止态如同断路（关），饱和态如同通路（开），即当方波输入电压为0时，三极管开关关闭。

试析智能光源追踪器的设计前言随着社会和科技的发展，资源的需求量不断加大，光是地球上最丰富的可再生利用的绿色环保能源，在利用集热器收集它的热能或通过太阳能电池板将其转换成电能的工程中，都希望发挥最大效率。

本文采用的是TI公司LM3S811超低功耗单片机为控制核心，利用一些外围部件来实现对光源的自动追踪。

通过光源跟踪系统帮助受光平面跟随光源运动以获得充足的光达到最大利用率。

跟踪系统主要是一个单片机控制的机械运动机构，该系统具有半自动，跟随精度高，灵敏度高等优点[1]。

1、系统硬件的总体设计和各功能模块的选型。

总体设计是感光模块将采集到的光信号转换成变化的电信号，所有的电信号发送到模数转换电路，将模拟信号转换成8位数字信号，进而将数字信号传送到主控芯片LM3S811，在主控芯片里通过比较各路信号的大小来决定驱动步进电机的转动，从而达到探头追踪光源的目的。

其中，电机驱动模块可以细分驱动信号，进而可以使电机转动的平稳。

同时，本系统还可以通过按键调速电路来控制电机的转动速度，调速信号传输到主控芯片以后，通过改变PWM波的占空比来改变其功率，从而改变电机的转速。

此时此刻，电机的速度级别会在显示速度模块显示。

根据硬件总体设计图来对系统的各主要功能模块进行选型。

本次设计要求探测距离在100cm处，且能准确快速探测到光源，相比之下光敏三极管具有较宽的检测范围，且符合此次系统的要求，所以选择光敏三极管组成的光电转换模块来担当探头。

考虑到本系统使用的模拟信号输入总共有9路输入信号，本系统选择TLC2543芯片。

主控芯片选TI公司提供的LM3S811。

为了设计一个稳定精确的系统，使用混合式步进电机及带有细分功能的驱动模块。

2、追踪点光源方案选择取A、B、C、D、E、F、G、H、I九个同一型号的感光模块，以E为中心，A、C以BD直线对称表示竖直方向的，B、D以AC直线对称表示水平面的。

在整个系统的周围安置F、G、H、I，用于采集其他光源的影响。

实用文档指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学自动化学院计算机控制技术课程设计报告设计题目：光源随动系统单位（二级学院）：学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：设计时间： 2013 年 6 月重庆邮电大学自动化学院制摘要本设计给出了一种基于单片机的点光源自动跟踪系统设计方案, 该设计使用TI公司的超低功耗的AT89C52单片机作为整个系统的控制核心，主要由电机驱动模块，点光源检测模块，电源转换模块等模块组成。

利用8路光敏电阻来检测点光源的位置并将检测到的信号经过放大后进行AD转换，将转换的结果传给控制器AT89C52单片机，经过过单片机的运算和处理来确定点光源的运动趋势，并将运算的控制信号控制两台步进电机，使其跟随点光源运动。

本设计可以扩展为以后的太阳能发电的自动跟踪系统。

该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向, 结构简单、成本低, 而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置, 不必人工干预, 特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况, 有效地提高了太阳能的利用率, 有较好的推广应用价值。

关键词：AT89C52单片机、光源、自动跟踪、传感器目录摘要.................................... 错误！未定义书签。

目录.. (3)一设计题目 (4)1.1 基于单片机的光源自适应控制系统设计 (4)1.2 设计要求 (4)二设计报告正文 (5)2.1 设计方案总体方向的选择 (5)2.1.1 系统方案的拟定 (5)2.1.2 方案选择 (5)2.2 硬件电路的设计 (6)2.2.1 A/D转换模块 (6)2.2.2 步进电机模块 (9)2.2.3 电机驱动模块 (11)2.2.4 检测模块 (13)2.2.5 单片机模块 (14)2.3 系统软件设计 (18)三总体调试 (19)3.1 总体调试 (19)3.2 问题及解决方案 (19)3.2.1 通道比较阀值的设置 (19)3.2.2 电机的防抖 (19)四设计总结 (20)五参考文献 (21)六附录 (22)一、设计题目1.1基于单片机的光源自适应控制系统设计设计一控制系统，假设有一个太阳能电池板，为了使电池板最大限度的接受光照强度，通过控制器调节电池板的角度使电池板始终正对光线。

电光源跟踪系统（B题）摘要：本文介绍了一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统，系统以MSP430F147为核心，同时用到TI公司生产的OPA820与OPA842两种运算放大器作为电压跟随器，通过分析采集来的信号，来实时控制步进电机的正反转，以实现对点光源的自动跟踪。

关键词：点光源自动跟踪MSP430F147 步进电机Abstract：This paper introduces a testing and instructions to the point light source position tracking system which use MSP430F147 as the core. Simultaneously uses two kinds of operational amplifier: OPA820 and OPA842 ，which TI Corporation produces ，to take the voltage follower .This system through the analysis of acquired signal and real-time control of stepping motor rotation.Key words：point light source Automatic tracking MSP430F147 Stepping motor 1．方案设计1.1方案分析当激光棒偏离点光源时，激光棒左、右，上、下两组光电池因为接受的光强不一样，其阻值大小变化不同，我们通过运算放大与转换电路将电阻的改变转换为电压信号的变化，然后通过单片机将转换后的两组，4路电压信号进行比较，根据比较结果控制电机带动激光棒左右，上下转动，直到激光棒中间的电压信号最强时，电机停止转动，此时激光棒刚好正对光源，从而实现了点光源跟踪系统。

1.2方案选择与论证1.2.1光感器件的选择方案一：利用高光敏电阻作为光感器件，光敏电阻由能透光的半导体光电晶体构成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻（硫化镉晶体）、红外光光敏电阻（砷化镓晶体）、和紫外光光敏电阻（硫化锌晶体）。

光源的课程设计一、教学目标本节课的学习目标包括以下三个方面：1.知识目标：学生需要理解光源的概念，掌握光源的分类及特点，了解光源在生活中的应用。

2.技能目标：学生能够运用所学知识，对生活中的光源进行识别和分析，培养观察和思考的能力。

3.情感态度价值观目标：培养学生对科学探究的兴趣，提高学生关注生活、关注科学的意识。

二、教学内容本节课的教学内容主要包括以下几个部分：1.光源的定义及分类：自然光源和人造光源。

2.光源的特点：亮度、颜色、稳定性等。

3.光源的应用：生活中光源的实例分析，如照明、显示、摄影等。

4.光源在科技发展中的作用：光纤通信、激光技术等。

三、教学方法为了提高教学效果，本节课将采用以下几种教学方法：1.讲授法：教师讲解光源的基本概念、分类和特点。

2.案例分析法：分析生活中常见的光源实例，让学生更好地理解光源的应用。

3.实验法：进行简单的光源实验，让学生亲身体验光源的特性。

4.讨论法：分组讨论光源在生活中的应用，促进学生之间的交流。

四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：《光源与应用》。

2.参考书：相关光源领域的学术论文和书籍。

3.多媒体资料：图片、视频、动画等，用于辅助讲解和展示。

4.实验设备：光源实验器材，如LED灯、激光笔等。

5.网络资源：利用互联网查找相关资料，丰富教学内容。

五、教学评估本节课的评估方式包括以下几个方面：1.平时表现：观察学生在课堂上的参与程度、提问回答等情况，了解学生的学习状态。

2.作业：布置相关的练习题，要求学生在规定时间内完成，通过作业批改了解学生的掌握程度。

3.考试：安排一次课堂小测或期中期末考试，全面检测学生对光源知识的掌握情况。

评估方式应客观、公正，能够全面反映学生的学习成果。

教师应及时给予反馈，帮助学生提高。

六、教学安排本节课的教学安排如下：1.教学进度：按照教材的章节安排，逐步讲解光源的知识点。

2.教学时间：每节课45分钟，确保在有限的时间内完成教学任务。

题目光源自动跟踪系统组别第三组姓名农世安、黄勇深、廖晓系（院）信息工程系班级 11应用电子（3+2）指导教师龙祖连、倪杰、张存吉二O一二年九月三日光源自动跟踪系统要摘本设计以TI公司提供的16位超低功耗、高性能嵌入式微控制器MSP430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。

循迹小车沿半径r =80cm的半圆黑色循迹线（线宽20mm）自C点运动到D点，在D点停留5S后关掉LED灯并自动返回C点，表示一天周期的结束。

放置在地面的光源跟踪系统，通过运用光敏器件的检测、传感器、AT89S52单片机的强大功能及相关外围电路设计产生控制信号传递给步进电机，使步进电机带动激光笔进行左、右等方向进行光源的实时检测及精确的跟踪。

本文着重讨论电机控制与光源检测定位方法。

关键字光源检测及跟踪光敏器件步进电机目录一、引言 (4)任务与要求 (4)二、方案的选择与论证 (5)1、微控制器模块的选择与论证 (6)2、光敏元器件的选择与论证 (7)3、电机的选择与论证 (8)4、电机驱动模块的选择与论证 (9)5、显示模块的选择与论证 (9)6、方案确认 (10)7、方案论证 (10)三、系统总体设置 (11)1、系统硬件流程图 (11)2、系统软件流程图 (12)四、系统单元设计 (14)1、单片机最小系统 (14)2、电源电路 (15)3、黑白线检测模块 (16)4、电机驱动模块 (16)五、系统总体测试 (17)六、总结 (17)一、引言.任务与要求：设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的模拟光伏发电太阳光自动跟踪系统，系统示意图如图1所示。

光源B使用单只1W白光LED（不得使用任何聚光装置），固定在一可调速循迹小车上，循迹小车沿半径r =80cm 的半圆黑色循迹线（线宽20mm）自C点运动到D点，在D 点停留5S后关掉LED灯并自动返回C点，表示一天周期的结束。

循迹小车的速度以自C点运动到D点的时间为20~50S 可调节。

光源自动跟踪系统自控原理课程设计一、前言光源自动跟踪系统是指利用光敏元件感知光线方向和光强，并通过自控原理去控制光源的方向和角度，以保证光源始终朝向目标，从而提高光能利用效率。

在现代节能环保理念的引领下，光源自动跟踪系统的研究与应用备受重视。

本课程设计立足于自控原理，旨在通过深入的理论研究和系统实践，培养学生动手能力和解决实际问题的能力，为学生今后的工程实践打下坚实基础。

二、课程设计目标1. 了解光源自动跟踪系统的基本原理和实现方式；2. 掌握自控原理在光源自动跟踪系统中的应用；3. 进行光源自动跟踪系统的设计与实现；4. 提高学生的动手能力和实际问题解决能力。

三、课程设计内容1. 光源自动跟踪系统的原理及相关知识介绍1.1 光敏元件的工作原理1.2 光源的自动定位与跟踪1.3 控制系统的设计与实现2. 自控原理在光源自动跟踪系统中的应用2.1 PID控制器在光源自动跟踪系统中的应用2.2 虚拟仪器软件的使用3. 光源自动跟踪系统的设计与实现3.1 选择合适的光敏元件3.2 搭建实验评台3.3 调试控制系统4. 实际案例分析4.1 光伏发电系统中的光源自动跟踪技术4.2 植物生长灯中的光源自动跟踪技术四、课程设计步骤1. 第一阶段：理论学习1.1 学生通过课堂教学和自主学习，掌握光源自动跟踪系统的原理及相关知识；1.2 学生学习自控原理在光源自动跟踪系统中的应用，了解PID控制器的基本原理和实现方法；1.3 学生熟悉虚拟仪器软件的基本操作和功能，为实验做好准备。

2. 第二阶段：实验设计2.1 学生在老师的指导下，选择合适的光敏元件，并设计光源自动跟踪系统的整体结构；2.2 学生搭建实验评台，完成光源自动跟踪系统的硬件部分搭建；2.3 学生根据课程要求，编写控制系统的程序，并进行调试。

3. 第三阶段：实验实施3.1 学生进行光源自动跟踪系统的实验实施，并记录实验数据；3.2 学生通过实验数据的分析，对光源自动跟踪系统的性能进行评估；3.3 学生在老师的指导下，完成实验报告的撰写。

点光源跟踪系统【摘要】：本系统设计以MSP430F169微处理器为控制器点光源自动跟踪系统，点光源跟踪系统由光源检测控制和点动光源两大部分组成。

光源检测控制通过单片机控制两个步进电机，实现激光笔左右上下两个方向运动，可实现精准跟踪光源，点动光源用恒流源控制1W LED发光，光敏三极管构成检测光源位置电路。

系统使用NOKIA3510彩色液晶显示，不仅美观，而且菜单显示使系统可视化。

本系统结构简单，功能强大，系统稳定。

关键词：步进电机MSP430F169 NOKIA3510 光敏三极管一系统整体方案确立与单元模块方案论证及比较本题任务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。

自动跟踪系统要实现检测光源和跟踪光源，通过光敏器件检测光照强度判断光源的位置，辅以微处理器控制电机，电机控制激光笔的左右上下运动来跟踪光源。

有以下两种总的方案可供选择：（1）电机的选择方案论证方案一：实用云台机构。

利用全方位云台内部的两个电机，分别控制激光笔上下、左右转动；这种方案的优点是控制起来较比较方便，机械性能较好，但是市场上云台价格较贵，由于云台通过同步电机实现转动，运动惯性比较大，不易控制。

方案二：控制步进电机。

利用两个步进电机，分别控制激光笔上下、左右向的转动；步进电机控制方便，驱动电路设计容易。

这种方案的优点是经济。

综上所述：考虑到激光笔上下左右运动的角度非常微小，而且步进电机便宜，故选用方案二。

（2）电机驱动模块选择方案一：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。

L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它工作频率高，一片L298N可以控制1个步进电机，而且还带有控制使能端。

用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

方案二：用分立元件构成驱动电路。

由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。

但是这种电路工作性能不够稳定。

方案三：用高耐压、大电流达林顿陈列—ULN2003做驱动电路。

2024年高考广东卷物理一、单选题1．将阻值为50Ω的电阻接在正弦式交流电源上。

电阻两端电压随时间的变化规律如图所示。

下列说法正确的是（ ）A ．该交流电的频率为100HzB ．通过电阻电流的峰值为0.2AC ．电阻在1秒内消耗的电能为1JD ．电阻两端电压表达式为u =10√2sin(100πt)V2．我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”。

其科学目标之一是探寻神秘的“119号”元素，科学家尝试使用核反应Y +A 95243m →X 119A +2n 01产生该元素。

关于原子核Y 和质量数A ，下列选项正确的是（ ）A ．Y 为2658Fe,A =299B ．Y 为2658Fe,A =301C ．Y 为2454Cr,A =295D ．Y 为2454Cr,A =2973．一列简谐横波沿x 轴正方向传播。

波速为1m/s ，t =0时的波形如图所示。

t =1s 时，x =1.5m 处的质点相对平衡位置的位移为（ ）A ．0B ．0.1mC ．−0.1mD ．0.2m4．电磁俘能器可在汽车发动机振动时利用电磁感应发电实现能量回收，结构如图甲所示。

两对永磁铁可随发动机一起上下振动，每对永磁铁间有水平方向的匀强磁场，磁感应强度大小均为B ．磁场中，边长为L 的正方形线圈竖直固定在减震装置上。

某时刻磁场分布与线圈位置如图乙所示，永磁铁振动时磁场分界线不会离开线圈。

关于图乙中的线圈。

下列说法正确的是（ ）A ．穿过线圈的磁通量为BL 2B ．永磁铁相对线圈上升越高，线圈中感应电动势越大C ．永磁铁相对线圈上升越快，线圈中感应电动势越小D ．永磁铁相对线圈下降时，线圈中感应电流的方向为顺时针方向5．如图所示，在细绳的拉动下，半径为r 的卷轴可绕其固定的中心点O 在水平面内转动。

卷轴上沿半径方向固定着长度为l 的细管，管底在O 点。

细管内有一根原长为l 2、劲度系数为k 的轻质弹簧，弹簧底端固定在管底，顶端连接质量为m 、可视为质点的插销。

点光源跟踪系统（题目）一、任务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，系统示意图如图1所示。

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60º，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±45º的范围内移动，也可以沿直线LM移动。

在光源后3 cm 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。

图1 光源跟踪系统示意图二、要求1．基本要求（1）光源跟踪系统中的指向激光笔可以通过现场设置参数的方法尽快指向点光源；（2）将激光笔光点调偏离点光源中心30cm时，激光笔能够尽快指向点光源；（3）在激光笔基本对准光源时，以A为圆心，将光源支架沿着圆周缓慢（10~15秒内）平稳移动20º（约60cm），激光笔能够连续跟踪指向LED点光源；2．发挥部分（1）在激光笔基本对准光源时，将光源支架沿着直线LM平稳缓慢（15秒内）移动60cm，激光笔能够连续跟踪指向光源。

（2）将光源支架旋转一个角度β（≤20º），激光笔能够迅速指向光源。

（3）光源跟踪系统检测光源具有自适应性，改变点光源的亮度时（LED驱动电流变化±50mA），能够实现发挥部分（1）的内容；（4）其他。

三、说明1．作为光源的LED的电流应该能够调整并可测量；2．测试现场为正常室内光照，跟踪系统A不正对直射阳光和强光源；3．系统测光部件应该包含在光源跟踪系统A中；4．光源跟踪系统在寻找跟踪点光源的过程中，不得人为干预光源跟踪系统的工作；5．除发挥部分（3）项目外，点光源的电流应为300±15 m A；6．在进行发挥部分（3）项测试时，不得改变光源跟踪系统的电路参数或工作模式；点光源跟踪系统（报告）摘要：本方案所涉及的点光源跟踪系统采用光敏三级管来检测点光源，并且利用比较比较器来判断电压高低，从而获知各个光敏传感器接收到的光的强弱来判断点光源的位置。

指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学自动化学院自动控制原理课程设计报告设计题目：光源自动跟踪系统单位（二级学院）：自动化学院学生姓名：* * *专业：****班级：* * * *学号：******指导教师：* * *设计时间：20** 年*月重庆邮电大学自动化学院制目录一.题目 (3)二.模型建立与求解 (4)2.1控制系统结构 (4)2.2光源检测模型 (4)2.3直流电机模型 (5)三.性能验证和参数设计 (6)3.1根轨迹设计及频域分析 (6)3.2时域检验与速度信号测试 (7)3.3检测电路设计 (8)一.课程设计题目已知一光源自动跟踪系统，利用帆板上一对光敏元件检测光能，当帆板偏离光源时，光敏元件产生电压差并通过放大后驱动电机转动，使太阳能帆板对准光源，如图示,其中，电机3,1.75; 2.8310;a a c v a R L V K W -==⨯=*表示转子旋转产生的电动势0.093;v K =电机产生的电磁力矩*,0.0924;t t T K I K ==电机及负载的转动惯量623010J ms -=⨯;阻力矩为*,a T B W =其中3510B -=⨯.要求完成的主要任务：1、分析系统工作过程，建立数学模型，并画出结构图。

2、系统跟踪阶跃响应的时间为0.5秒，超调量为小于5%，设计校正系统。

3、分析当该系统跟踪太阳转动时的性能。

4、设计光源检测放大装置，画出电路图并确定主要元件参数。

二、模型建立与求解2.1控制系统结构依据检测、放大、电机三个模块，画出相应的控制结构图，如图2.图2 控制系统图在这里,角度的输入和比较依靠物理的光线输入和检测以及系统结构布局来实现的.2.2光源检测系统模型该光源跟踪系统主要由光线检测电路，电机驱动放大器，直流伺服电机三个模块组成。

两个完全相同的光敏传感器分别安装在帆板两边，用来检测光线是否正对该跟踪系统。

当光线满足入射条件时，两个光敏传感器检测到的光辐射强度几乎相等，否则讲表明帆板偏向受辐射少的一边。

指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学自动化学院计算机控制技术课程设计报告设计题目：光源随动系统单位（二级学院）：学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：设计时间：2013 年 6 月重庆邮电大学自动化学院制摘要本设计给出了一种基于单片机的点光源自动跟踪系统设计方案, 该设计使用TI公司的超低功耗的AT89C52单片机作为整个系统的控制核心，主要由电机驱动模块，点光源检测模块，电源转换模块等模块组成。

利用8路光敏电阻来检测点光源的位置并将检测到的信号经过放大后进行AD转换，将转换的结果传给控制器AT89C52单片机，经过过单片机的运算和处理来确定点光源的运动趋势，并将运算的控制信号控制两台步进电机，使其跟随点光源运动。

本设计可以扩展为以后的太阳能发电的自动跟踪系统。

该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向, 结构简单、成本低, 而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置, 不必人工干预, 特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况, 有效地提高了太阳能的利用率, 有较好的推广应用价值。

关键词：AT89C52单片机、光源、自动跟踪、传感器目录摘要.................................... 错误！未定义书签。

目录.. (3)一设计题目 (4)1.1 基于单片机的光源自适应控制系统设计 (4)1.2 设计要求 (4)二设计报告正文 (5)2.1 设计方案总体方向的选择 (5)2.1.1 系统方案的拟定 (5)2.1.2 方案选择 (5)2.2 硬件电路的设计 (6)2.2.1 A/D转换模块 (6)2.2.2 步进电机模块 (9)2.2.3 电机驱动模块 (11)2.2.4 检测模块 (13)2.2.5 单片机模块 (14)2.3 系统软件设计 (18)三总体调试 (19)3.1 总体调试 (19)3.2 问题及解决方案 (19)3.2.1 通道比较阀值的设置 (19)3.2.2 电机的防抖 (19)四设计总结 (20)五参考文献 (21)六附录 (22)一、设计题目1.1基于单片机的光源自适应控制系统设计设计一控制系统，假设有一个太阳能电池板，为了使电池板最大限度的接受光照强度，通过控制器调节电池板的角度使电池板始终正对光线。

基于单片机的光源自动跟踪系统设计摘要与其他能源相比, 太阳能具有独特的优点, 向太阳这个取之不尽的能源宝库索取能量,实现人类历史上的能源变革,已成为今后能源开发的主要趋向。

用现代化方法大规模地开发利用太阳能,已成为摆在人们面前的一项重要任务。

然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题, 这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。

目前很多太阳能电池板阵列没有充分利用太阳能资源, 发电效率低下。

据实验, 在太阳能光发电中, 相同条件下采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右，因此在太阳能利用中进行跟踪是十分必要的。

光源跟踪技术是一项实用的技术,在很多领域均有应用,尤其是在太阳能设备上,能够使其工作效率更高,能量吸收率更高。

给出了一种基于单片机的光源自动跟踪系统设计方案, 该设计使用TI公司的超低功耗的AT89C51单片机作为整个系统的控制核心，主要由电机驱动，光源检测等组成。

利用4路光敏传感器来检测光源的位置并将检测到的信号经过放大传给控制器AT89C51单片机，经过单片机的运算和处理来确定光源的运动趋势，并将运算的控制信号传给两台步进电机，使其跟随光源运动。

当水平方向上的2路光敏传感器管测量数值相对接近，同时竖直方向上的2路光敏传感器测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向光源。

同时将光敏传感器检测的信号显示在LCD液晶屏幕上。

关键词：AT89C51单片机，光源，自动跟踪，检测，传感器ABSTRACTCompared with other energy, solar energy has a unique advantage, the inexhaustible energy treasure to the sun for energy, realize the energy change in human history, has become the main future energy development trend. With modern methods for the development and utilization of solar energy on a large scale, has become an important task in front of people. However it also has intermittent, illumination direction and intensity of changing over time, this is the collection and utilization of solar energy put forward higher requirements. At present many solar panel array did not make full use of solar energy resources, power generation efficiency is low. According to the experiment, in the solar energy light electricity, under the same conditions using automatic tracking power equipment to around 35% higher than that of fixed power equipment capacity, therefore in the solar tracking is very necessary. Light source tracking technology is a practical technology, are applied in many fields, especially in solar energy equipment, able to make it work more efficient, higher energy absorption.This design gives a light source automatic tracking system based on single chip design scheme, the design USES TI company's ultra-low power consumption of AT89C51 as the control core of the whole system, mainly by motor driven, light detection, etc. Using four-way photosensitive sensor to detect the position of the light source and detected signals are amplified to controller AT89C51, through MCU operation and processing to determine the movement trend of light source, and the operation of the control signal to the two stepper motors, to make it follow the light source. When the horizontal 2 road of photosensitive sensor measurements are relatively close, at the same time 2 road photosensitive sensor measurement values on the vertical direction is relatively close, the laser pointer, in the middle of a verticalsensors will be accurate to point light source. At the same time the photosensitive sensor detection signal is displayed in the LCD screen.Key words: AT89C51, light source, automatic tracking, detection, sensor目录1.绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2太阳能的应用 (1)1.3光源跟踪系统发展现状 (2)1.4本文主要内容 (3)2系统设计 (4)2.1系统设计要求 (4)2.1.1跟踪光源设计 (4)2.1.2太阳光角度的计算 (5)2.1.3太阳光强度检测系统 (9)2.2方案比较 (10)2.2.1主控芯片的选择 (10)2.2.2电动机的选择 (11)2.2.3电动机驱动电路的选择 (14)2.2.4传感器的选择 (14)2.2.5显示器的选择 (15)2.2.6转换器的选择 (16)2.2.7太阳能电池板 (16)3硬件设计 (18)3.1硬件方框图和电路设计 (18)3.2主控系统 (18)3.3步进电机驱动电路设计 (20)3.4按键设计 (23)3.5液晶显示器设计 (23)3.6信号采集处理 (24)4软件设计 (26)4.1主流程图 (26)4.2子程序流程图 (26)5系统调试和结果分析 (33)5.1仿真 (33)5.2 调试与分析 (35)总结 (37)致谢 (38)参考文献 (39)附录1 (40)附录2 (41)1.绪论1.1 概述该设计采用Intel公司的超低功耗，低电压，高性能的AT89C51 单片机作为整个系统的核心，主要由电机驱动，光源检测，采集信号等组成。

一、实验目的1. 理解自动跟踪系统的基本原理和工作流程。

2. 掌握自动跟踪系统的设计和实现方法。

3. 通过实验验证自动跟踪系统的性能和效果。

二、实验原理自动跟踪系统是一种利用图像处理技术对目标进行自动跟踪的系统。

其基本原理是通过图像处理算法提取目标特征，然后根据特征信息在连续的图像序列中实现对目标的跟踪。

常用的跟踪算法有基于颜色、基于形状、基于运动等。

三、实验环境1. 硬件环境：计算机、摄像头、被跟踪目标。

2. 软件环境：图像处理软件（如OpenCV、MATLAB等）。

四、实验步骤1. 系统设计（1）确定跟踪目标：选择合适的跟踪目标，如运动车辆、行人等。

（2）图像采集：利用摄像头采集目标图像序列。

（3）图像预处理：对采集到的图像进行预处理，如去噪、灰度化等。

（4）特征提取：根据跟踪目标的特点，选择合适的特征提取方法，如颜色特征、形状特征、运动特征等。

（5）跟踪算法设计：根据所选特征，设计合适的跟踪算法，如卡尔曼滤波、光流法、模板匹配等。

（6）跟踪结果评估：对跟踪结果进行评估，如计算跟踪误差、计算跟踪成功率等。

2. 系统实现（1）采集实验数据：利用摄像头采集目标图像序列。

（2）图像预处理：对采集到的图像进行预处理。

（3）特征提取：根据所选特征，提取目标特征。

（4）跟踪算法实现：根据所选跟踪算法，实现自动跟踪功能。

（5）跟踪结果展示：将跟踪结果展示在图像上，观察跟踪效果。

五、实验结果与分析1. 实验结果（1）图像预处理：对采集到的图像进行预处理，如图1所示。

图1 预处理后的图像（2）特征提取：提取目标特征，如图2所示。

图2 目标特征（3）跟踪结果：实现自动跟踪功能，如图3所示。

图3 跟踪结果2. 实验分析（1）图像预处理：预处理后的图像可以减少噪声对特征提取的影响，提高跟踪精度。

（2）特征提取：根据所选特征，提取目标特征，为跟踪算法提供依据。

（3）跟踪算法：根据所选跟踪算法，实现自动跟踪功能。

在本实验中，采用卡尔曼滤波算法进行跟踪，具有较好的跟踪效果。

北京信息科技大学《现代电子技术综合设计》报告题目发光物体自动跟踪装置学院光电工程学院专业光信息科学与技术学号姓名指导老师日期 2015年1月29日目录第一部分设计要求 (3)第二部分设计方案 (3)第三部分设计原理 (4)1. 光信号采集与处理 (4)2. 加减法电路 (6)3. 绝对值电路及过零比较电路 (8)4. 非门电路 (10)5. 放大电路 (11)6. 除法电路 (11)7.锯齿波及其绝对值 (12)8.H桥与舵机 (14)第四部分总结 (15)发光物体的自动跟踪装置课程设计第一部分设计要求设计一套可对发光物体进行自动跟踪的系统，其可对视场内的发光物体（如太阳，LED，激光光斑）等实现自动跟踪，从而实现始终将自身指向发光目标的功能。

1. 基本要求可探测系统视场内发光物体与系统自身光轴的偏差量；可根据发光物体的偏差量，驱动转台电机带动系统跟踪发光物体；全自动跟踪，最大跟踪角速度不大于1°/S；系统具有抗环境光干扰能力；跟踪目标距离大于70cm。

2.提高部分提高跟踪精度和速度；自由发挥。

第二部分设计方案图1为设计总框图图1流压转换：四象限产生的是电流值，利用324实现电压与电流之间的转换, 以便后面计算。

加法运算：利用741进行加法运算，可计算出四象限所接收光的总和。

减法运算：用741计算出左右象限所接受光的差值，用来计算光斑位置。

过零比较：用324对减法结果进行过零比较，大于零的部分输出为1。

非门电路：将过零比较进行反向，得到的值同过零比较送至H桥控制正反转。

绝对值运算：利用324进行绝对值电路，将减法运算中小于0的部分都变为正的。

放大电路：将加法和绝对值输出信号进行放大，送至除法器，以提高跟踪距离。

除法电路：由放大后的信号进行除法运算，加法为分母，绝对值为分子。

H桥：将过零比较与非门与H桥的IN1和IN2相连，进而控制与H桥相连的舵机，实现正反转。

产生锯齿波和绝对值电路：用324产生锯齿波，再用绝对值电路处理波形。