發(fā)光物體自動(dòng)跟蹤裝置設(shè)計(jì)

北京信息科技大學(xué)《現(xiàn)代電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)》報(bào)告題目發(fā)光物體自動(dòng)跟蹤裝置學(xué)院光電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)老師日期2015年1月29日目錄第一部分設(shè)計(jì)要求 3第二部分設(shè)計(jì)方案 3第三部分設(shè)計(jì)原理 41.光信號(hào)采集與處理 42.加減法電路 63.絕對(duì)值電路及過(guò)零比較電路 84.非門(mén)電路 105.放大電路 116.除法電路 117.鋸齒波及其絕對(duì)值 128.H橋與舵機(jī) 14第四部分總結(jié) 15發(fā)光物體的自動(dòng)跟蹤裝置課程設(shè)計(jì)第一部分設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一套可對(duì)發(fā)光物體進(jìn)行自動(dòng)跟蹤的系統(tǒng)，其可對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的發(fā)光物體（如太陽(yáng)，LED，激光光斑）等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)始終將自身指向發(fā)光目標(biāo)的功能。1.基本要求可探測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)發(fā)光物體與系統(tǒng)自身光軸的偏差量；可根據(jù)發(fā)光物體的偏差量，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)系統(tǒng)跟蹤發(fā)光物體；全自動(dòng)跟蹤，最大跟蹤角速度不大于1°/S；系統(tǒng)具有抗環(huán)境光干擾能力；跟蹤目標(biāo)距離大于70cm。2.提高部分提高跟蹤精度和速度；自由發(fā)揮。第二部分設(shè)計(jì)方案圖1為設(shè)計(jì)總框圖減法運(yùn)算流壓轉(zhuǎn)換過(guò)零比較非門(mén)電路減法運(yùn)算流壓轉(zhuǎn)換過(guò)零比較非門(mén)電路 絕對(duì)值電路絕對(duì)值電路產(chǎn)生鋸齒波加法運(yùn)算放大電路產(chǎn)生鋸齒波加法運(yùn)算放大電路絕對(duì)值電路除法電路絕對(duì)值電路除法電路H橋PWMH橋PWM調(diào)速舵機(jī)舵機(jī)圖1流壓轉(zhuǎn)換：四象限產(chǎn)生的是電流值，利用324實(shí)現(xiàn)電壓與電流之間的轉(zhuǎn)換,以便后面計(jì)算。加法運(yùn)算：利用741進(jìn)行加法運(yùn)算，可計(jì)算出四象限所接收光的總和。減法運(yùn)算：用741計(jì)算出左右象限所接受光的差值，用來(lái)計(jì)算光斑位置。過(guò)零比較：用324對(duì)減法結(jié)果進(jìn)行過(guò)零比較，大于零的部分輸出為1。非門(mén)電路：將過(guò)零比較進(jìn)行反向，得到的值同過(guò)零比較送至H橋控制正反轉(zhuǎn)。絕對(duì)值運(yùn)算：利用324進(jìn)行絕對(duì)值電路，將減法運(yùn)算中小于0的部分都變?yōu)檎?。放大電路：將加法和絕對(duì)值輸出信號(hào)進(jìn)行放大，送至除法器，以提高跟蹤距離。除法電路：由放大后的信號(hào)進(jìn)行除法運(yùn)算，加法為分母，絕對(duì)值為分子。H橋：將過(guò)零比較與非門(mén)與H橋的IN1和IN2相連，進(jìn)而控制與H橋相連的舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。產(chǎn)生鋸齒波和絕對(duì)值電路：用324產(chǎn)生鋸齒波，再用絕對(duì)值電路處理波形。Pwm：進(jìn)行絕對(duì)值后的鋸齒波輸出與除法輸出的電壓同PWM相連，進(jìn)行比較后輸出不同占空比的方波，產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)速。再進(jìn)過(guò)非門(mén)電路得到理想轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系。第三部分設(shè)計(jì)原理及步驟光信號(hào)的采集與處理使用器件：四象限探測(cè)器、LM324信號(hào)捕捉采用四象限探測(cè)器。四象限探測(cè)器因?yàn)榫哂徐`敏度和位置分辨率高、光譜范圍寬、體積小、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍寬等特點(diǎn)，在光斑位置探測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。其主要應(yīng)用在捕獲、對(duì)準(zhǔn)、跟蹤系統(tǒng)精跟蹤的光斑檢測(cè)和提前量伺服系統(tǒng)的光斑檢測(cè)。一般將四象限光電探測(cè)器置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或稍離開(kāi)焦平面。當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時(shí)，四個(gè)象限上探測(cè)器輸出的光電信號(hào)幅度不相同，比較四個(gè)光電信號(hào)的幅度大小就可以知道目標(biāo)成像在哪個(gè)象限上（也就知道了目標(biāo)的方位）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，我首先開(kāi)始了四象限的電路連接，選定了電路后，就根據(jù)題目，設(shè)計(jì)計(jì)算電路中所需要的電阻阻值以及電容阻值，根據(jù)四象限輸出的電流數(shù)量級(jí)是uA和所需的轉(zhuǎn)換電壓數(shù)量級(jí)為百mV以及電流電壓轉(zhuǎn)換的基本公式：可以確定所選電阻的阻值范圍，我選擇了100的電阻，然后進(jìn)行了實(shí)物的連接。四象限原理圖如圖2圖2四象限光電探測(cè)器是光電探測(cè)器的一種，其工作原理是當(dāng)激光束經(jīng)過(guò)光路中的光學(xué)元件成像于四象限光電探測(cè)器的光敏面上時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)光斑，如圖三所示，光斑在探測(cè)器的4個(gè)象限分成A,B,C,D4個(gè)部分，光斑面積分別為S1，S2，S3，S4,對(duì)應(yīng)的4個(gè)象限產(chǎn)生的光電流為I1，I2，I3，I4，,光斑中心相對(duì)于探測(cè)器中心X和Y方向的偏移量分別為?X和?Y，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)廣州對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，圓形光斑中心與四象限中心重合，即?X=?Y，這時(shí)4個(gè)象限的光斑面積相同。四象限光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換電流較小，一般只有幾個(gè)納安，需要經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓V1，V2，V3，V4來(lái)表示偏移量?X和VV式中V1,V2,V3,V流壓轉(zhuǎn)換原理圖如圖3圖3實(shí)物連接圖如圖4圖4示波器中四象限各個(gè)口的顯示A象限B象限C象限D(zhuǎn)象限加減法電路四象限有四個(gè)區(qū)域A、B、C、D，而我們做了一維的發(fā)光物追蹤裝置，所以只需要用兩個(gè)區(qū)域就可以，所以，要將四個(gè)區(qū)域的AD進(jìn)行相加作為一個(gè)區(qū)域，BC進(jìn)行相加作為一個(gè)區(qū)域。從而通過(guò)加減運(yùn)算來(lái)確定光斑的位置。用741實(shí)現(xiàn)加法（A+B+C+D）及減法(（A+D）—（B+C）)運(yùn)算使用器件：LM324根據(jù)加法器中的公式以及減法器中的公式，為了方便連接及計(jì)算，統(tǒng)一電阻都選用了100的電阻。加減法運(yùn)算的原理圖如圖5所示圖5實(shí)物連接圖如圖6圖6加法示波器顯示如圖7圖7減法示波器顯示（如圖8，9）圖8圖9當(dāng)光源處于左右不同象限時(shí)，產(chǎn)生的方波一個(gè)在正半軸，另一個(gè)在負(fù)半軸。絕對(duì)值電路及過(guò)零比較電路由于四象限的減法運(yùn)算可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，在進(jìn)行除法后，由于加法為正值，減法可能出現(xiàn)負(fù)值，所以除法結(jié)果存在負(fù)值現(xiàn)象，后面的環(huán)節(jié)需要正的電壓，所以需要一個(gè)絕對(duì)值運(yùn)算電路，絕對(duì)值就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行全波整流，將半波整流電路和加法器組合起來(lái)就構(gòu)成了一個(gè)絕對(duì)值運(yùn)算電路。絕對(duì)值原理圖如圖10圖10過(guò)零比較原理圖如圖11圖11Ui接的是從減法器輸入的信號(hào)，Uo的輸出接到非門(mén)的輸入實(shí)物連接圖如圖12圖12為了能很好地排版，也不用再焊接一個(gè)741，正好絕對(duì)值剩了一個(gè)運(yùn)放，就將過(guò)零比較與絕對(duì)值接在同一個(gè)324上了。過(guò)零比較與絕對(duì)值電路都與減法電路相連。示波器顯示絕對(duì)值第一個(gè)運(yùn)放的輸出如圖13圖13第二個(gè)運(yùn)放的輸出如圖14圖14最后將正弦絕對(duì)值后的示波器顯示如圖15圖15經(jīng)過(guò)絕對(duì)值電路后產(chǎn)生的都是處于Y軸正半軸的正弦波過(guò)零比較后示波器顯示結(jié)果：當(dāng)光源處于AD象限時(shí)，產(chǎn)生的是“1”的輸出；當(dāng)光源處于BC象限時(shí)，產(chǎn)生“0”的輸出。非門(mén)電路用SN74HC14將過(guò)零比較進(jìn)行處理，將其兩個(gè)象限的輸出進(jìn)行反運(yùn)算。非門(mén)原理圖如圖16圖16除了管腳7和14外，所有奇數(shù)管腳都為輸入，偶數(shù)管腳為輸出非門(mén)實(shí)物連接圖如圖17圖17示波器顯示結(jié)果：與過(guò)零比較產(chǎn)生的信號(hào)正好相反，當(dāng)光源處于AD象限時(shí)，產(chǎn)生“0”的輸出；當(dāng)光源處于BC象限時(shí)，產(chǎn)生“1”的輸出。放大電路用324將加法和絕對(duì)值全都放大100倍。利用公式VOUT=（1+R2/R1）V0，R2是100K,R1是1K，可以實(shí)現(xiàn)放大100倍。放大器原理圖如圖18OUTOUT圖18因?yàn)橛屑臃ê蜏p法兩個(gè)都需要放大，所以實(shí)際連接中需要兩個(gè)放大電路，Ui接加減法輸入,放大后輸出。放大器實(shí)物連接圖如圖19圖19示波器顯示結(jié)果：一開(kāi)始的加減法輸出信號(hào)的電壓為50mV，經(jīng)過(guò)放大器放大100倍后輸出信號(hào)的電壓變?yōu)?V。除法電路用AD538進(jìn)行除法運(yùn)算，A+B+C+D作分母，(（A+D）—（B+C）)作分子。除法運(yùn)算的作用是歸一化,即把四象限相減得到的電壓與相加得到的電壓進(jìn)行除法運(yùn)算。所需的主要實(shí)驗(yàn)器件：AD538（用于將四象限的減法輸出與加法輸出相除，從而實(shí)現(xiàn)歸一化）除法電路原理圖如圖20圖20AD538中管腳4輸出的是+10V電壓，管腳5輸出的是+2V電壓，我們將公式中的系數(shù)VY（也就是管腳10）與+2V（也就是管腳5）相連。管腳3與管腳12相連；管腳11接一個(gè)二極管然后接地；管腳13,14都接地。管腳2(Vz)即是分母，就是由放大電路輸入的加法；管腳15（Vx）即為分子，就是由放大電路輸入的減法。管腳6和7分別接電源的+15V和—15V實(shí)物連接圖如圖21 圖21當(dāng)光源處于四象限中心時(shí)電壓為零，無(wú)論光源在AD還是BC象限時(shí)電壓值都不會(huì)超過(guò)2V鋸齒波及其絕對(duì)值脈寬調(diào)制（PWM）基本原理：控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。用PWM其中的鋸齒波直接產(chǎn)生，然后接一個(gè)絕對(duì)值電路，將其全部變?yōu)檎?，然后再將其接回PWM電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制。實(shí)物連接圖如圖22圖22示波器顯示1管腳輸出方波，圖形如圖23所示圖2314管腳輸出鋸齒波，如圖24所示圖24脈寬調(diào)制輸出波形如圖25圖25H橋與舵機(jī)將H橋與PWM相連，再讓H橋與舵機(jī)相連，控制舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及加減速。H橋原理圖如圖26圖26實(shí)物連接圖如圖27圖27我們用的H橋是一個(gè)H橋的驅(qū)動(dòng)模塊，可將其直接連入電路中，有兩根輸出線(xiàn)OUT1和OUT2與舵機(jī)相連，使其轉(zhuǎn)動(dòng)。第四部分總結(jié)我們這次課設(shè)是接著上課時(shí)完成的模塊繼續(xù)做，雖然各個(gè)功能當(dāng)時(shí)都已經(jīng)出來(lái)了，但是我們是要將他們?nèi)窟B在一起，然后整體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。先在面包板上將各個(gè)部分重新接了出來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，成功以后就再去將它焊接。雖然每次布局花的時(shí)間很長(zhǎng)，不過(guò)最后出來(lái)的效果仍舊不是很理想。焊接完以后進(jìn)行測(cè)試，查錯(cuò)，再焊接。測(cè)試成功后，才進(jìn)行下一個(gè)模塊。每次焊接完一個(gè)模塊后，連接之前的模塊再檢查。到最后一個(gè)，也就是PWM模塊完成后，結(jié)果不對(duì)也是從流壓轉(zhuǎn)換開(kāi)始挨個(gè)查起。總之是個(gè)異常艱辛的過(guò)程。本來(lái)考慮了在流壓轉(zhuǎn)換后加上調(diào)制解調(diào)，因?yàn)榄h(huán)境光干擾實(shí)在是一個(gè)問(wèn)題。所以就在另一塊板子上焊接了各種運(yùn)算電路?？蓛蓧K板子都要接電壓，還要將流壓轉(zhuǎn)換后的信號(hào)連接起來(lái)才可以測(cè)試，當(dāng)時(shí)做的時(shí)候加上各種測(cè)試的線(xiàn)都要有二十來(lái)根了。每次測(cè)試都要花很長(zhǎng)時(shí)間將它們分清楚連接起來(lái)，一有錯(cuò)全都拆了拿去焊，再連還不行還要測(cè)，拆，焊。那時(shí)候板子拿起來(lái)還挺壯觀，有人說(shuō)我們的板子像章魚(yú)。控制速度的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，按照PWM可調(diào)電壓來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是電壓越大速度越慢，所以我們連到非門(mén)，將其進(jìn)行反運(yùn)算，電壓越大時(shí)速度越快?？稍瓉?lái)的電路電壓調(diào)到零依舊在轉(zhuǎn)。思考發(fā)