計(jì)算機(jī)控制激光掃描系統(tǒng)

1、計(jì)算機(jī)控制激光掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì) 060411301 桑蒙桑蒙 大綱大綱實(shí)際意義及激光掃描中步進(jìn)電機(jī)及計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀實(shí)際意義及激光掃描中步進(jìn)電機(jī)及計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀1激光二維掃描系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制研究 激光二維掃描系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口原理與研究 二維掃描系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及結(jié)論234意義意義 自激光在1960年問世以來，由于其諸多的優(yōu)越性能:單色性好，方向性強(qiáng)，能量高等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛的應(yīng)用于各種部門中。早期的激光主要應(yīng)用于軍事，工業(yè)等領(lǐng)域，對相應(yīng)部門的發(fā)展起到了巨大的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的吃速發(fā)展，尤其是在近年才逐漸發(fā)展井成熟起來的計(jì)算機(jī)技術(shù)，慢慢的融入到各種部門，激光與光電子技術(shù)應(yīng)用也得到了促進(jìn)和發(fā)展，給社會生活和工農(nóng)業(yè)生

2、產(chǎn)帶來了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。11掃描系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀掃描系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀 1.直線電機(jī)。該電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小，性能優(yōu)良，經(jīng)過長距離的行程后，仍能保證誤差在極小的范圍內(nèi)。但是由于其價(jià)格較昂貴，而且與反射裝置或者振鏡的連接需要通過機(jī)械裝置來進(jìn)行，故難以保證它的精度。 2.壓電陶瓷微馬達(dá)。該馬達(dá)是依靠定子上的壓電陶瓷片將輸入的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械力來驅(qū)動轉(zhuǎn)子的。因此，它不產(chǎn)生磁場，具有自鎖功能，在低速時(shí)能提供大力矩和高精度的角分辨率。它體積小且價(jià)格要比直線電機(jī)便宜得多，但是該種類的電機(jī)有累積誤差，重復(fù)性和精度較低。 3.步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或者線位移的電磁機(jī)械裝置

3、，也是一種能把輸出機(jī)械位移增量和輸入數(shù)字電壓脈沖對應(yīng)的驅(qū)動器件。每外加一個(gè)脈沖信號，它就運(yùn)動一步，故稱之為步進(jìn)電機(jī)。 12激光掃描中的微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用現(xiàn)激光掃描中的微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀狀 計(jì)算機(jī)機(jī)由于其功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，安裝調(diào)試方便得到了十分廣泛的應(yīng)用。不僅在商業(yè)通訊，家庭等領(lǐng)域成為主流，在工業(yè)領(lǐng)域也作為控制的主體成為系統(tǒng)的核心?？刂萍夹g(shù)與計(jì)算機(jī)的相結(jié)合，進(jìn)一步加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)在各種行業(yè)的應(yīng)用范圍和所占有的地位。對于一個(gè)中小型的控制系統(tǒng)來說，需要實(shí)現(xiàn)的功能有限，大致包括數(shù)據(jù)的采集，傳輸，處理等基本的控制過程，但是對于一個(gè)大型的控制系統(tǒng)來說，不僅要包含上述的功能，還要有許多其他的功能，才能滿足需要。在

4、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)融入生產(chǎn)部門后，這樣的數(shù)據(jù)交換和處理變得相對簡單和輕松起來。 第二章第二章 激光二維掃描系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)激光二維掃描系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制研究控制研究 在激光二維掃描系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是作為掃描的執(zhí)行元件來進(jìn)行工作的。在工作的過程中，步進(jìn)電機(jī)將根據(jù)控制程序的指令，作出響應(yīng)的動作，完成掃描。本章將首先介紹步進(jìn)電機(jī)的控制原理以及在本系統(tǒng)中的應(yīng)用。 21掃描系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的簡介 步進(jìn)電機(jī)是一種將電的脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或者線位移的執(zhí)行元件。每外加一個(gè)脈沖信號，它就運(yùn)動一步，故稱之為步進(jìn)電機(jī)。2.1.1、永磁式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī) 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由一對或者多對

5、極的星由一對或者多對極的星形永久磁鐵組成，定子形永久磁鐵組成，定子極上相應(yīng)有兩相或者多極上相應(yīng)有兩相或者多相控制繞組。當(dāng)相繞組相控制繞組。當(dāng)相繞組通電后，定子和轉(zhuǎn)子磁通電后，定子和轉(zhuǎn)子磁極之間將產(chǎn)生吸引力和極之間將產(chǎn)生吸引力和相斥力。轉(zhuǎn)子在這些磁相斥力。轉(zhuǎn)子在這些磁場力的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。場力的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。這類電機(jī)的效率高，造這類電機(jī)的效率高，造價(jià)便宜。一個(gè)典型的永價(jià)便宜。一個(gè)典型的永磁式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如磁式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如右圖右圖2. 1所示。所示。圖圖2. 1永磁步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖永磁步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.1.2變磁阻式步進(jìn)電機(jī)變磁阻式步進(jìn)電機(jī) 變磁阻式步進(jìn)電機(jī)(也稱反映式)的定子和轉(zhuǎn)子均由鐵芯

6、織成。定子有若干對磁極，磁極上有控制繞組。在轉(zhuǎn)子的圓柱面上有均勻分布的小齒。依靠磁場吸力的作用，轉(zhuǎn)子向定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小的位置轉(zhuǎn)動。一個(gè)典型的變磁阻式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2. 2所示。 2.1.3.混合式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電機(jī) 混合式步進(jìn)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與變磁阻式步進(jìn)電機(jī)很相似，磁極上有控制繞組。這種步進(jìn)電機(jī)的步距角在-之間。混合式步進(jìn)電機(jī)組合了永磁式和變磁阻式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)。圖2. 3混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖22掃描系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的控制原理及方掃描系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的控制原理及方法法 在激光二維掃描系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是主要的執(zhí)行元件，關(guān)系到掃描質(zhì)量的決定性因素。步進(jìn)電機(jī)的控制主要體現(xiàn)在對步進(jìn)電機(jī)步距角的

7、細(xì)分。 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是在70年代中期發(fā)展起來的可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合性能的驅(qū)動控制技術(shù)。實(shí)踐證明 ，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動是靠給步進(jìn)電機(jī)的各相勵(lì)磁繞組輪流通以電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部磁場合成方向的變化來使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的。 221步進(jìn)電機(jī)控制電路及實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制電路及實(shí)現(xiàn) 為了對步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到細(xì)分步進(jìn)電機(jī)步距角的目的，人們曾設(shè)計(jì)了很多種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動電路。目前，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路大多數(shù)都采用單片微機(jī)控制，它們的構(gòu)成框圖如2. 4所示。 圖2.4 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路圖 在本系統(tǒng)中，

8、對步進(jìn)電機(jī)的控制是通過計(jì)算機(jī)的并行口實(shí)現(xiàn)的。采用軟硬件結(jié)合的辦法，通過程序的運(yùn)行行，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)期的日標(biāo)旋轉(zhuǎn) 2.2.2步進(jìn)電機(jī)與計(jì)算機(jī)的接口步進(jìn)電機(jī)與計(jì)算機(jī)的接口在本系統(tǒng)中，是利用計(jì)算機(jī)的并行口實(shí)現(xiàn)的:由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器需要5V電壓，815mA的驅(qū)動電流，而計(jì)算機(jī)的輸出正好能夠滿足上述要求，所以只要將二者通過接口連接上即可。接線按如右圖2.5所示。在右圖2.5中.用到了計(jì)算機(jī)并行口中2, 9,14, 16腳。其中2和9腳是發(fā)出CP信號的腳，l4和16腳是發(fā)出DIR信號 的。由于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)只需要一個(gè)脈沖信號和一個(gè)換向信號，所以在上圖中并沒有畫出另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的脈沖和換向信號。 圖2.

9、 5步進(jìn)電機(jī)與計(jì)算機(jī)接口電路示意圖 第三章第三章 激光二維掃描系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口原激光二維掃描系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口原理與研究理與研究 掃描系統(tǒng)是通過對步進(jìn)電機(jī)的控制，使步進(jìn)電機(jī)按照要求運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)的。步進(jìn)電機(jī)的控制需要三個(gè)參數(shù):1啟動電機(jī)工作與停止電機(jī)工作的信號;2步進(jìn)電機(jī)的換向信號;3電機(jī)移動距離與運(yùn)動快慢的控制。計(jì)算機(jī)對外設(shè)的控制實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的通訊，這種通訊既需要開發(fā)硬件設(shè)備，在計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間架設(shè)一座橋梁，又需要由軟件制定通訊協(xié)議加以管理和協(xié)調(diào)。在本系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通訊是通過并行口實(shí)現(xiàn)的。為此，本章首先對計(jì)算機(jī)并行口作一個(gè)簡單的介紹，然后著重研究激光二維掃描系統(tǒng)

10、與計(jì)算機(jī)并行口之間通訊的實(shí)現(xiàn)。 31激光二維掃描系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口的原激光二維掃描系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口的原理理本系統(tǒng)所有計(jì)算，控制命令的發(fā)送等任務(wù)都是由計(jì)算機(jī)完成的。為此，必須制作出計(jì)算機(jī)與外設(shè)的接口，這個(gè)接口是通過計(jì)算機(jī)的并行口實(shí)現(xiàn)的。而計(jì)算機(jī)接口技術(shù)就是采用硬件與軟件相結(jié)合的辦法，研究計(jì)算機(jī)如何與外部設(shè)備進(jìn)行最佳禍合與匹配，以便在CPU與外部設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)高效、可靠的交換信息的一種技術(shù)。接口作為CPU與I/O設(shè)備之間的信息中轉(zhuǎn)站，其基本結(jié)構(gòu)和連接圖如圖3.1所示。接口電路同CPU交換的信息有三類:數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。圖3.1接口電路的基本結(jié)構(gòu)及其連接 32激光二維掃描系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)接口的連

11、激光二維掃描系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)接口的連接接激光二維掃描系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)借助一個(gè)25芯D型線，將激光二掃描系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接起來。在圖3.2中，D1, D3是紅外發(fā)光管，D2, D4是接收管。計(jì)算機(jī)并行口中，用到了幾個(gè)腳，它們被分配了不同的任務(wù)。其中，腳2, 5, 6,9是數(shù)據(jù)端口，在本系統(tǒng)中是用來發(fā)送CP脈沖信號或者起控制用的;腳14和16是控制端口，在本系統(tǒng)中起控制步進(jìn)電機(jī)換向作用的。腳10和12是狀態(tài)端口，這兩個(gè)腳是不能用來輸出信號的，但是可以輸入信號。因此在本系統(tǒng)中，利用它們作為接收紅外發(fā)光管和接收管所發(fā)來的信號。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)，控制和狀態(tài)信號的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)又能協(xié)調(diào)。具體的連接示意圖如3.2所示:圖3.

12、2二維掃描系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)并行口的接口電路示意圖 上圖3.2的接口電路的工作過程如下:首先由控制程序發(fā)出CP脈沖信號的，這是通過并行口的2腳和9腳實(shí)現(xiàn)的，在這兩個(gè)腳上，會連續(xù)的產(chǎn)生+5V的高電平和OV的低電平，并且周而復(fù)始的進(jìn)行著。這個(gè)CP脈沖信號通過一個(gè)開集門芯片74LS07傳送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器上，控制步進(jìn)電機(jī)隨著CP脈沖信號的發(fā)出，一步步的運(yùn)行。在需要換向的位置或者時(shí)刻上，控制程序首先要保持CP脈沖信號維持在十5V的高電平上，井且持續(xù)一段時(shí)間，然后發(fā)出換向信號。這個(gè)信號是通過并行口的14和16腳發(fā)出的。同樣換問信號也要經(jīng)過74LS07芯片，送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器上。紅外發(fā)光管和接收管作用是檢測步進(jìn)

13、電機(jī)初始位置。它們的信號由三態(tài)門芯片74LS125傳輸。這樣作的目的是實(shí)現(xiàn)智能控制。三態(tài)門的控制端是由并行口的5腳和6腳分別控制的。只有5腳和6腳發(fā)出低電平時(shí)，才能使三態(tài)門工作。其他時(shí)間5腳和6腳始終保持著+5V的高電平狀態(tài)，禁止三態(tài)門工作保證程序運(yùn)行的平穩(wěn)性。 第四章第四章 二維掃描系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)二維掃描系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 激光二維掃描系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)控制，配合以外圍電路實(shí)現(xiàn)的。在本系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)是執(zhí)行系統(tǒng)的核心，步進(jìn)電機(jī)是主要的執(zhí)行單元，加上穩(wěn)壓電源，定位電路，掃描控制電路，共同作用完成掃描。作為一個(gè)完整的掃描系統(tǒng)，其框圖如右4.1:圖4. 1掃描系統(tǒng)框圖41穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)任何電路的構(gòu)成，

14、都少不了電源。在電系統(tǒng)中，電源性能的優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)功能的優(yōu)劣和穩(wěn)定，精度等一系列問題。在本系統(tǒng)中，需要單獨(dú)的一個(gè)+5V的直流電壓，用以驅(qū)動若干元器件如74LS07, 74LS125等芯片，同時(shí)系統(tǒng)中其它部分如光電定位電路，也需要+5V的直流電壓。基于這樣的思想，所設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源如下4.2所示:其中，四個(gè)二極管是一個(gè)整流橋的四個(gè)端腳，該整流橋的最大整流電流為2A,輸入電壓為20V.輸出電壓為22V; C1. C2. C3. C4為四個(gè)電容，其中C2和 C4為電解電容。C1的耐壓值為15V，電容為500 u F: C2的耐壓值為15V，其電容為0. 22u F; C3的耐壓值為l0V，電容為1

15、000u F； C4的耐壓值為10V,電容為0. 47 uf。穩(wěn)壓管采用7805,要是由于其優(yōu)異的性能價(jià)格比，同時(shí)能夠滿足本系統(tǒng)對直流穩(wěn)壓的需要。圖4. 2 +5V穩(wěn)壓電源電路圖 該穩(wěn)壓電源的原理及其器件的作用如下:首先通過一個(gè)變壓器將220V的交流電壓變成一個(gè)20V左右的交流電壓，經(jīng)過一個(gè)橋式整流后，變成一個(gè)22v的直流電壓。這個(gè)22V的電壓加在兩個(gè)容值分別為500 u F和0.22uF，然后通過一個(gè)穩(wěn)壓管7805.最后通過兩個(gè)容值為1000 u F和0.47uF的電容輸出。在這個(gè)電路中，兩個(gè)小容量的電容C2和C4的作用是減少外界的干擾，比如外界磁場、日光們等干擾，可靠，精度才能得到保證。

16、該穩(wěn)限電源經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使電源輸出更加穩(wěn)定，其輸出保持在5V左右（其誤差在0. 1V左右)，而且在長時(shí)間工作的條件下，也能保持其輸出電壓的穩(wěn)定，同時(shí)能夠有效的抑制外界的干擾，完全能夠滿足系統(tǒng)的需要。42光電定位光電定位/復(fù)位電路復(fù)位電路 在二維掃描系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動是隨機(jī)的，其制動也是隨機(jī)的，這樣就使得步進(jìn)電機(jī)在每次啟動時(shí)，啟動位置都時(shí)任意、不確定的。為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在每次啟動時(shí)，都能從同一個(gè)位置開始，就需要有一個(gè)定位裝置。能準(zhǔn)確的定位步進(jìn)電機(jī)，使其每一次掃描都從同一個(gè)位置開始。但是這樣做使程序的運(yùn)行時(shí)間大大加長，為了減少程序的運(yùn)行時(shí)間，需要采取另外一種措施，那就是加上復(fù)位電路。該檢測電路和

17、定位檢測電路配合就可以有效的減少掃描的檢測時(shí)間，同時(shí)能夠防止以外情況的發(fā)生，如人為的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)等，更能快速，準(zhǔn)確的確定掃描的位置。定位/復(fù)位電路如下:圖4. 3定位/復(fù)位電路示意圖 在上圖中，Rl, R2和R3都是電阻，起限流作用。R1=15 ，R2=5.1 K,R3=5M。 D 1為紅外發(fā)光管，D2為接收管。輸出口1直接輸入到計(jì)算機(jī)的接口，用于檢測此時(shí)該電路檢測到的狀態(tài)值，是使計(jì)算機(jī)能夠根據(jù)此值調(diào)節(jié)相應(yīng)的程序。 43步進(jìn)電機(jī)控制單元步進(jìn)電機(jī)控制單元 在激光二維掃描系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是全要的執(zhí)行元件，既由步進(jìn)電機(jī)帶動反光鏡，在相應(yīng)程序的控制下，按照要求及預(yù)期設(shè)想按部就班的工作。在本系統(tǒng)，采用與

18、所用的SYG-101型步進(jìn)電機(jī)配套的驅(qū)動器來進(jìn)行控制。該馭動器與脈沖信號，換向信號，以及步進(jìn)電機(jī)的連接示意圖如下： 圖4. 4并行口與步進(jìn)電機(jī)連接圖 44幾種幾何圖形掃描的研究幾種幾何圖形掃描的研究441直線類圖形的掃描直線類圖形的掃描1直線直線對于直線的掃描，主要是確定直線對于直線的掃描，主要是確定直線段的長度、該直線段的方向段的長度、該直線段的方向(水平或水平或者垂直者垂直)，以及該直線段在水平方向，以及該直線段在水平方向上上(或者垂直方向上或者垂直方向上)的延伸方向。的延伸方向。在確定這些之后，開始將所預(yù)期的在確定這些之后，開始將所預(yù)期的上述參數(shù)傳遞到程序，進(jìn)行掃描。上述參數(shù)傳遞到程序，

19、進(jìn)行掃描?？驁D如右框圖如右:如右述框圖所示中，最后一個(gè)判斷如右述框圖所示中，最后一個(gè)判斷框是用這樣的方法實(shí)現(xiàn)的，既采用框是用這樣的方法實(shí)現(xiàn)的，既采用C語言中的一個(gè)函數(shù)語言中的一個(gè)函數(shù)!KBHIT ( )，該，該函數(shù)的意義是不按任意鍵。在本程函數(shù)的意義是不按任意鍵。在本程序中，如果在掃描過程中，按任意序中，如果在掃描過程中，按任意鍵將結(jié)束程序，否則將自動使步進(jìn)鍵將結(jié)束程序，否則將自動使步進(jìn)電機(jī)換向，重新開始掃描。這次掃電機(jī)換向，重新開始掃描。這次掃描的方向和上一次的方向正好相反描的方向和上一次的方向正好相反. 這樣，利用人眼的生理局限性，同這樣，利用人眼的生理局限性，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很快，將會在屏?xí)r步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很快，將會在屏幕上展現(xiàn)出一條連續(xù)的直線。幕上展現(xiàn)出一條連續(xù)的直線。 圖4. 5直線掃描程序框圖2五角星步進(jìn)電機(jī)的掃描是直線式的。在所有由直線構(gòu)成的圖形中，五角星是最具有代表性的，因此將它單獨(dú)作為一個(gè)例程來掃描。其框圖4. 6。在這個(gè)框圖中，中間的判斷方框有兩個(gè)組成部分。其一為步進(jìn)電機(jī)換向的判斷，主要是使步進(jìn)電機(jī)能夠自動的換向，掃描得到連續(xù)。其二是對此種掃描次數(shù)的判斷.控制斜線的掃描次數(shù)，避免此種掃描進(jìn)入死循環(huán)，同時(shí)能保證掃描的為五角星的各個(gè)斜邊.圖4.6五角星掃描程序框圖 結(jié)結(jié) 論論 本文對步進(jìn)電機(jī)的原理及控制方法進(jìn)行了探