發(fā)光物體自動跟蹤裝置設(shè)計

北京信息科技大學《現(xiàn)代電子技術(shù)綜合設(shè)計》報告題目發(fā)光物體自動跟蹤裝置學院光電工程學院專業(yè)光信息科學與技術(shù)學號姓名指導老師日期2015年1月29日目錄第一部分設(shè)計要求 3第二部分設(shè)計方案 3第三部分設(shè)計原理 41.光信號采集與處理 42.加減法電路 63.絕對值電路及過零比較電路 84.非門電路 105.放大電路 116.除法電路 117.鋸齒波及其絕對值 128.H橋與舵機 14第四部分總結(jié) 15發(fā)光物體的自動跟蹤裝置課程設(shè)計第一部分設(shè)計要求設(shè)計一套可對發(fā)光物體進行自動跟蹤的系統(tǒng)，其可對視場內(nèi)的發(fā)光物體（如太陽，LED，激光光斑）等實現(xiàn)自動跟蹤，從而實現(xiàn)始終將自身指向發(fā)光目標的功能。1.基本要求可探測系統(tǒng)視場內(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)動轉(zhuǎn)臺電機帶動系統(tǒng)跟蹤發(fā)光物體；全自動跟蹤，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)計方案圖1為設(shè)計總框圖減法運算流壓轉(zhuǎn)換過零比較非門電路減法運算流壓轉(zhuǎn)換過零比較非門電路 絕對值電路絕對值電路產(chǎn)生鋸齒波加法運算放大電路產(chǎn)生鋸齒波加法運算放大電路絕對值電路除法電路絕對值電路除法電路H橋PWMH橋PWM調(diào)速舵機舵機圖1流壓轉(zhuǎn)換：四象限產(chǎn)生的是電流值，利用324實現(xiàn)電壓與電流之間的轉(zhuǎn)換,以便后面計算。加法運算：利用741進行加法運算，可計算出四象限所接收光的總和。減法運算：用741計算出左右象限所接受光的差值，用來計算光斑位置。過零比較：用324對減法結(jié)果進行過零比較，大于零的部分輸出為1。非門電路：將過零比較進行反向，得到的值同過零比較送至H橋控制正反轉(zhuǎn)。絕對值運算：利用324進行絕對值電路，將減法運算中小于0的部分都變?yōu)檎摹７糯箅娐罚簩⒓臃ê徒^對值輸出信號進行放大，送至除法器，以提高跟蹤距離。除法電路：由放大后的信號進行除法運算，加法為分母，絕對值為分子。H橋：將過零比較與非門與H橋的IN1和IN2相連，進而控制與H橋相連的舵機，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。產(chǎn)生鋸齒波和絕對值電路：用324產(chǎn)生鋸齒波，再用絕對值電路處理波形。Pwm：進行絕對值后的鋸齒波輸出與除法輸出的電壓同PWM相連，進行比較后輸出不同占空比的方波，產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)速。再進過非門電路得到理想轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系。第三部分設(shè)計原理及步驟光信號的采集與處理使用器件：四象限探測器、LM324信號捕捉采用四象限探測器。四象限探測器因為具有靈敏度和位置分辨率高、光譜范圍寬、體積小、響應(yīng)快、動態(tài)范圍寬等特點，在光斑位置探測中得到了廣泛應(yīng)用。其主要應(yīng)用在捕獲、對準、跟蹤系統(tǒng)精跟蹤的光斑檢測和提前量伺服系統(tǒng)的光斑檢測。一般將四象限光電探測器置于光學系統(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面。當目標成像不在光軸上時，四個象限上探測器輸出的光電信號幅度不相同，比較四個光電信號的幅度大小就可以知道目標成像在哪個象限上（也就知道了目標的方位）。根據(jù)實驗原理，我首先開始了四象限的電路連接，選定了電路后，就根據(jù)題目，設(shè)計計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)量級是uA和所需的轉(zhuǎn)換電壓數(shù)量級為百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，然后進行了實物的連接。四象限原理圖如圖2圖2四象限光電探測器是光電探測器的一種，其工作原理是當激光束經(jīng)過光路中的光學元件成像于四象限光電探測器的光敏面上時，產(chǎn)生一個光斑，如圖三所示，光斑在探測器的4個象限分成A,B,C,D4個部分，光斑面積分別為S1，S2，S3，S4,對應(yīng)的4個象限產(chǎn)生的光電流為I1，I2，I3，I4，,光斑中心相對于探測器中心X和Y方向的偏移量分別為?X和?Y，當光學系統(tǒng)廣州對準目標時，圓形光斑中心與四象限中心重合，即?X=?Y，這時4個象限的光斑面積相同。四象限光電探測器光電轉(zhuǎn)換電流較小，一般只有幾個納安，需要經(jīng)過運算放大器轉(zhuǎn)換為電壓V1，V2，V3，V4來表示偏移量?X和VV式中V1,V2,V3,V流壓轉(zhuǎn)換原理圖如圖3圖3實物連接圖如圖4圖4示波器中四象限各個口的顯示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，所以只需要用兩個區(qū)域就可以，所以，要將四個區(qū)域的AD進行相加作為一個區(qū)域，BC進行相加作為一個區(qū)域。從而通過加減運算來確定光斑的位置。用741實現(xiàn)加法（A+B+C+D）及減法(（A+D）—（B+C）)運算使用器件：LM324根據(jù)加法器中的公式以及減法器中的公式，為了方便連接及計算，統(tǒng)一電阻都選用了100的電阻。加減法運算的原理圖如圖5所示圖5實物連接圖如圖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當光源處于左右不同象限時，產(chǎn)生的方波一個在正半軸，另一個在負半軸。絕對值電路及過零比較電路由于四象限的減法運算可能會出現(xiàn)負值，在進行除法后，由于加法為正值，減法可能出現(xiàn)負值，所以除法結(jié)果存在負值現(xiàn)象，后面的環(huán)節(jié)需要正的電壓，所以需要一個絕對值運算電路，絕對值就是對信號進行全波整流，將半波整流電路和加法器組合起來就構(gòu)成了一個絕對值運算電路。絕對值原理圖如圖10圖10過零比較原理圖如圖11圖11Ui接的是從減法器輸入的信號，Uo的輸出接到非門的輸入實物連接圖如圖12圖12為了能很好地排版，也不用再焊接一個741，正好絕對值剩了一個運放，就將過零比較與絕對值接在同一個324上了。過零比較與絕對值電路都與減法電路相連。示波器顯示絕對值第一個運放的輸出如圖13圖13第二個運放的輸出如圖14圖14最后將正弦絕對值后的示波器顯示如圖15圖15經(jīng)過絕對值電路后產(chǎn)生的都是處于Y軸正半軸的正弦波過零比較后示波器顯示結(jié)果：當光源處于AD象限時，產(chǎn)生的是“1”的輸出；當光源處于BC象限時，產(chǎn)生“0”的輸出。非門電路用SN74HC14將過零比較進行處理，將其兩個象限的輸出進行反運算。非門原理圖如圖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)管腳為輸出非門實物連接圖如圖17圖17示波器顯示結(jié)果：與過零比較產(chǎn)生的信號正好相反，當光源處于AD象限時，產(chǎn)生“0”的輸出；當光源處于BC象限時，產(chǎn)生“1”的輸出。放大電路用324將加法和絕對值全都放大100倍。利用公式VOUT=（1+R2/R1）V0，R2是100K,R1是1K，可以實現(xiàn)放大100倍。放大器原理圖如圖18OUTOUT圖18因為有加法和減法兩個都需要放大，所以實際連接中需要兩個放大電路，Ui接加減法輸入,放大后輸出。放大器實物連接圖如圖19圖19示波器顯示結(jié)果：一開始的加減法輸出信號的電壓為50mV，經(jīng)過放大器放大100倍后輸出信號的電壓變?yōu)?V。除法電路用AD538進行除法運算，A+B+C+D作分母，(（A+D）—（B+C）)作分子。除法運算的作用是歸一化,即把四象限相減得到的電壓與相加得到的電壓進行除法運算。所需的主要實驗器件：AD538（用于將四象限的減法輸出與加法輸出相除，從而實現(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實物連接圖如圖21 圖21當光源處于四象限中心時電壓為零，無論光源在AD還是BC象限時電壓值都不會超過2V鋸齒波及其絕對值脈寬調(diào)制（PWM）基本原理：控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，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)則對各脈沖的寬度進行調(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，然后接一個絕對值電路，將其全部變?yōu)檎缓笤賹⑵浣踊豍WM電路，實現(xiàn)對速度的控制。實物連接圖如圖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橋與舵機將H橋與PWM相連，再讓H橋與舵機相連，控制舵機的正反轉(zhuǎn)以及加減速。H橋原理圖如圖26圖26實物連接圖如圖27圖27我們用的H橋是一個H橋的驅(qū)動模塊，可將其直接連入電路中，有兩根輸出線OUT1和OUT2與舵機相連，使其轉(zhuǎn)動。第四部分總結(jié)我們這次課設(shè)是接著上課時完成的模塊繼續(xù)做，雖然各個功能當時都已經(jīng)出來了，但是我們是要將他們?nèi)窟B在一起，然后整體實現(xiàn)自動跟蹤。先在面包板上將各個部分重新接了出來進行檢測，成功以后就再去將它焊接。雖然每次布局花的時間很長，不過最后出來的效果仍舊不是很理想。焊接完以后進行測試，查錯，再焊接。測試成功后，才進行下一個模塊。每次焊接完一個模塊后，連接之前的模塊再檢查。到最后一個，也就是PWM模塊完成后，結(jié)果不對也是從流壓轉(zhuǎn)換開始挨個查起?？傊莻€異常艱辛的過程。本來考慮了在流壓轉(zhuǎn)換后加上調(diào)制解調(diào)，因為環(huán)境光干擾實在是一個問題。所以就在另一塊板子上焊接了各種運算電路?？蓛蓧K板子都要接電壓，還要將流壓轉(zhuǎn)換后的信號連接起來才可以測試，當時做的時候加上各種測試的線都要有二十來根了。每次測試都要花很長時間將它們分清楚連接起來，一有錯全都拆了拿去焊，再連還不行還要測，拆，焊。那時候板子拿起來還挺壯觀，有人說我們的板子像章魚?？刂扑俣鹊臅r候發(fā)現(xiàn)，按照PWM可調(diào)電壓來說，應(yīng)該是電壓越大速度越慢，所以我們連到非門，將其進行反運算，電壓越大時速度越快?？稍瓉淼碾娐冯妷赫{(diào)到零依舊在轉(zhuǎn)。思考發(fā)