計(jì)算機(jī)控制激光系統(tǒng)課件

計(jì)算機(jī)控制激光掃描

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

060411301

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意義自激光在1960年問(wèn)世以來(lái)，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(duì)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(lái)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(huì)生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。1．2激光掃描中的微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用現(xiàn)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(duì)于一個(gè)中小型的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(guò)程，但是對(duì)于一個(gè)大型的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(duì)簡(jiǎn)單和輕松起來(lái)。第二章激光二維掃描系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)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(lái)進(jìn)行工作的。在工作的過(guò)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(dòng)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。

2．1掃描系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)是一種將電的脈沖信號(hào)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(hào)，它就運(yùn)動(dòng)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)的轉(zhuǎn)子由一對(duì)或者多對(duì)極的星形永久磁鐵組成，定子極上相應(yīng)有兩相或者多相控制繞組。當(dāng)相繞組通電后，定子和轉(zhuǎn)子磁極之間將產(chǎn)生吸引力和相斥力。轉(zhuǎn)子在這些磁場(chǎng)力的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。這類電機(jī)的效率高，造價(jià)便宜。一個(gè)典型的永磁式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如右圖2.1所示。圖2.1永磁步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.1.3.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2．2掃描系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的控制原理及方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(duì)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是在70年代中期發(fā)展起來(lái)的可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合性能的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(chǎng)合成方向的變化來(lái)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的。2．2．1步進(jìn)電機(jī)控制電路及實(shí)現(xiàn)為了對(duì)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?cè)O(shè)計(jì)了很多種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。目前，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路圖在本系統(tǒng)中，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制是通過(guò)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(guò)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)第三章激光二維掃描系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口原理與研究掃描系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)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(dòng)電機(jī)工作與停止電機(jī)工作的信號(hào);2步進(jìn)電機(jī)的換向信號(hào);3電機(jī)移動(dòng)距離與運(yùn)動(dòng)快慢的控制。計(jì)算機(jī)對(duì)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(kāi)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(guò)并行口實(shí)現(xiàn)的。為此，本章首先對(duì)計(jì)算機(jī)并行口作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，然后著重研究激光二維掃描系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)并行口之間通訊的實(shí)現(xiàn)。3．1激光二維掃描系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口的原理本系統(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(guò)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3．2激光二維掃描系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)接口的連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(lái)。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(lái)發(fā)送CP脈沖信號(hào)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(lái)輸出信號(hào)的，但是可以輸入信號(hào)。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(lái)的信號(hào)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)，控制和狀態(tài)信號(hào)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3.2二維掃描系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)并行口的接口電路示意圖第四章二維掃描系統(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4．1穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)任何電路的構(gòu)成，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(wèn)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(dòng)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?；谶@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500uF:C2的耐壓值為15V，其電容為0.22uF;C3的耐壓值為l0V，電容為1000uF；C4的耐壓值為10V,電容為0.47uf。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(duì)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(guò)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(guò)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500uF和0.22uF，然后通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓管7805.最后通過(guò)兩個(gè)容值為1000uF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(chǎng)、日光們等干擾，可靠，精度才能得到保證。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(zhǎng)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。在上圖中，Rl,R2和R3都是電阻，起限流作用。R1=15Ω，R2=5.1K,R3=5MΩ。D1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(cè)此時(shí)該電路檢測(cè)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。4．3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(dòng)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)，采用與所用的SYG-101型步進(jìn)電機(jī)配套的驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)行控制。該馭動(dòng)器與脈沖信號(hào)，換向信號(hào)，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4．4幾種幾何圖形掃描的研究4．4．1直線類圖形的掃描1直線對(duì)于直線的掃描，主要是確定直線段的長(zhǎng)度、該直線段的方向(水平或者垂直)，以及該直線段在水平方向上(或者垂直方向上)的延伸方向。在確定這些之后，開(kāi)始將所預(yù)期的上述參數(shù)傳遞到程序，進(jìn)行掃描?？驁D如右: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C語(yǔ)言中的一個(gè)函數(shù)!KBHIT()，該函數(shù)的意義是不按任意鍵。在本程序中，如果在掃描過(guò)程中，按任意鍵將結(jié)束程序，否則將自動(dòng)使步進(jìn)電機(jī)換向，重新開(kāi)始掃描。這次掃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，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很快，將會(huì)在屏幕上展現(xiàn)出一條連續(xù)的直線。

圖4.5直線掃描程序框圖結(jié)論本文對(duì)步進(jìn)電機(jī)的原理及控制方法進(jìn)行了探討和研究，在認(rèn)真分析了步進(jìn)電機(jī)各種控制方法的基礎(chǔ)上，確定了在本系統(tǒng)中應(yīng)該采用的控制方法和策略。然后，又對(duì)計(jì)算機(jī)的并行口內(nèi)部電路原理進(jìn)行了分析，明確了各端口引腳的功能，歸納出應(yīng)該使用的控制方法和通訊手段。在此基礎(chǔ)上，完成了激光二維掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。由用戶輸入目標(biāo)圖形后，通過(guò)與人機(jī)對(duì)話，將該圖形取到控制程序中。該控制程序?qū)⒏鶕?jù)此圖形的特征，發(fā)出各種控制命令，通過(guò)計(jì)算機(jī)接口輸出到執(zhí)行元件一步進(jìn)電機(jī)上，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)軸上的反射鏡，快速的實(shí)現(xiàn)圖形掃描。本系統(tǒng)作為一種能實(shí)現(xiàn)掃描的系統(tǒng)，可以應(yīng)用于各種需要掃描的場(chǎng)所，如各種工業(yè)上需要的定位、檢測(cè)、計(jì)量、加工、勘探、軍事等領(lǐng)域，所以本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍是比較廣泛的。致謝本人的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一直是在導(dǎo)師馮濤教授的悉心指導(dǎo)下進(jìn)行的。馮濤教授治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，為人和藹可親。并且在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，馮濤教授不斷對(duì)我得到的結(jié)論進(jìn)行總結(jié)，并