热源自动跟踪系统分析 - 全文

1.方案设计、比较与论证

1.1传感器的选择

方案一：为了达到实现跟踪热源的功能，使用温度传感器DS18B20进行实时的温度采集，在通过51单片机进行读取内部寄存器的值，将读出的温度与设定的温度进行比较。超过单片机就执行相关的动作。该方案具有硬件电路简单的优势，但是成本很高，而且程序编写复杂，DS18B20的极限温度为125度非常容易烧坏，无法实现相关的功能。

方案二：采用热敏电阻与及AD转换芯片进行热源的跟踪。通过热敏电阻变化导致电压变化，AD芯片将电压模拟量装换为数字量，通过单片机读取数字量从而执行相关的程序，控制步进电机。该方案虽然可行，可是AD之前的电信号处理电路相对较复杂，而且成本较高。所以放弃使用该方案。

方案三：使用热敏电阻以及双电压比较器LM393进行电信号的采集处理，通过SC89F516单片机进行高低电平的判断，通过编程控制廉价、低功耗、驱动电流大的芯片ULN2803实现对步进电机的控制，从而实现热源的自动搜索。该方案具有成本低、功耗小、结构架设简单、程序编写方便等优势。

经过多方面的测试以及实验我们采用方案三作为最终方案。

1.2主控制芯片的选择

方案一：采用STC89C52单片机，STC89C52单片机是由ST公司推出的8位单片机。该单片机具有程序编写简单价格低廉等优势，内有高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。但是其内存太小，无法实现较大程序的运行。本项目要求程序的加密，该单片机无法实现。故不予采用。

方案二：采用STM32C8T6单片机，STM32C8T6单片机是目前较为高端的单片机，该单片机具有强大的功能，内设丰富，是一款32位的单片机，采用cortex M3内核，时钟频率达到72MHz，在同类的32位机中功耗是最小的。由于功能强大其编程也相对的复杂。而且成本相对较高，很难实现程序防破解、堵漏洞的功能。

方案三：采用深圳华联公司生产的SC89F516单片机，该单片机是一款高速高效的8位单片机，该单片机兼容了传统51单片机的所有优势，单片机内含有ADC、SPI模块等。是一款性价比相当高的单片机。该单片机最大的优势在于实现程序的防破解堵漏洞的功能。也是本项目设计的亮点所在。

经过比较方案三是最佳选择。

2.系统硬件电路设计

2.1总体构架框图如下

总体模块由热敏电阻模块、LM393模块、电机驱动模块、单片机最小系统模块组成，实现了整个系统的功能。

2.2模块电路的说明如下：

A.比较器模块：

该模块采用了通用电压比较器LM393，由于其线性度好。是由两个集成的高精度电压比较器。失调电压最低为2.0mv，具有低功耗的特性。可以减少由于温漂引起的失调电压。输入共模电压接近地电平。模块中热敏电阻与固值电阻进行串联分压，将其电压加到比较器的反向输入端。其同向输入端由电位器进行分压，采用该方式的好处是系统传感部分的灵敏度可调。可以改变传感器的探测距离，方便硬件调试。

B.电机驱动模块：该电机驱动模块采用了ULN2803，该芯片内部集成了8个达林顿管，可以承载较大的电压、电流。芯片非常适合逻辑电平接口电路，故我们使用单片机进行逻辑电平的输出是较理想的。模块预留了外部供电的端口，必要时可以使用外部的大电流。使系统稳定的运行。

C.单片机最小系统模块：

SC89F51单片机最小系统由主控芯片、复位电路、晶振电路组成。这三种电路是单片机工作的最基本方式。我们再编程时采用外部晶振，有方便替换的有点。使用上电复位目的是为了使用方便。我们将串行发送口RXD以及串行接收口TXD端口引出，其目的在于方便程序的烧写。

3.相关参数的计算

由于要使热敏电阻的灵敏度达到最大，就必须计算出其最佳的串联电阻。依据经验公式当固值电阻R=时其功率最大。(其R1为热电阻热R2为冷电阻)。经过多次的测量得到热敏电阻在常温下阻值平均为10K，在37度时为平均为9K，计算得到R=9.5K.

步进电机旋转角度的计算。由于步进电机的转动时靠电平一步一步执行的。其工作方式有A-B-C-D和A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A等几种节拍的运行方式。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度(转子齿数J*运行拍数)，以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步)，八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。这两个概念清楚后，我们再来计算转速，以基本步距角1.8°的步进电机为例(现在市场上常规的二、四相混合式步进电机基本步距角都是1.8°)，四相八拍运行方式下，每接收一个脉冲信号，转过0.9°，如果每秒钟接收400个脉冲，那么转速为每秒400*0.9°=360°，相当与每秒钟转一圈，每分钟60转。

4.软件设计

4.1程序流程图

4.2程序流程图的说明

该流程图设计是按照，项目所需的功能实现的，其中有逻辑电平的判断以及电机执行机构的电平输出。全面考虑了系统可能出现的疏漏。在防破解方面也作出了许多方面的算法考虑。

5.系统测试结果

5.1测试仪器：万用表、数字示波器

5.2测试方法：

首先进行的是传感器模块的测试，在靠近热源时，测量LM393的引脚电平的高低。在测试时如果未能达到相应引脚电平的变化那么就必须通过调节电位器，使LM393同向端与反向端的电压最靠近。是系统的灵敏度最高。

测量结果如下：

6.总结

由测试结果知道，本设计完成了该项目所需的全部基本要求。