激光自動跟蹤課設報告.doc

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《現(xiàn)代電子技術應用綜合設計》課程報告 激光自動跟蹤電路設計 二0一九年一月 目錄 一、 綜述 1 二、 系統(tǒng)功能及工作原理 1 三、 單元電路設計調試結果 3 1、 矩形波調制電路 3 2、 I/V轉換電路 5 3、 放大電路 7 4、 解調電路 8 5、 濾波電路 9 6、 減法電路 13 7、 加法電路 14 8、 除法電路 15 9、 絕對值電路 17 10、 非門電路 18 11、 三角波電路 18 12、 比較電路 20 13、 L298N電路 22 四、 整體電路搭建圖 22 五、 整體電路功能 23 六、 小組課程設計總結 23 七、 實際用到器件 24 24 一、 綜述 現(xiàn)今社會，光的用途越來越多樣化，不論是用于照明，還是用來測繪，亦或是用在軍工方面，可以說，人類正在從電的時代向光的時代轉變，以前由電來解決得問題，現(xiàn)在可以嘗試通過光電的手段來解決。這樣可以有效的提升信息的傳輸效率。 四象限發(fā)光物體自動追蹤裝置，以激光照射運動目標，根據(jù)從目標反射回來的激光信號與測量系統(tǒng)光軸的偏離角，控制測量系統(tǒng)指向目標方向的技術。激光跟蹤系統(tǒng)通常由激光照明器、激光探測器、信息處理系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)組成。激光跟蹤（Laser Tracker ）是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。 英國Oxford Sensors公司的激光焊縫跟蹤系統(tǒng)成功用于中石油寶雞鋼管廠螺旋焊管機組內外焊的焊縫跟蹤中，該系統(tǒng)中運用了本次課設的激光自動跟蹤原理，在焊槍上安裝激光發(fā)射器，將激光打在焊縫上，激光槍上的光電探測器探測到激光位置，經(jīng)后續(xù)電路處理驅動焊槍準確完成焊接。 圖1 激光焊縫跟蹤系統(tǒng) 在軍工方面，可以用于導彈的制導系統(tǒng)，激光鎖定一個目標，導彈自動追蹤激光的目標位置，并且根據(jù)激光位置的位置調節(jié)導彈的飛行方向。從而實現(xiàn)自動制導。 二、 系統(tǒng)功能及工作原理 系統(tǒng)功能：本次課程設計目標是設計一套可對發(fā)光物體進行自動跟蹤的系統(tǒng)，其可對視場內的發(fā)光物體（如太陽，LED，激光光斑）等實現(xiàn)自動跟蹤，即始終將自身指向發(fā)光目標，此外系統(tǒng)應具有一定的抗干擾能力，可在室內環(huán)境正常工作。  圖2 四象限探測器工作流程圖 工作原理：用ICL8038發(fā)生的方波對光源進行調制，當光線照射四象限探測器時，通過四路I/U轉換，將四象限探測器輸出的電流轉化成電壓，通過乘法器組成的解調電路，將經(jīng)過光源調制的信號解調成原信號和兩個高頻信號，然后經(jīng)過濾波將高頻波濾掉，得到原信號。然后通過減法器和加法器算出（A+B-C-D）、（A+C-B-D）和（A+B+C+D），通過除法器將減法器的輸出和加法器的輸出相除，得到輸出信號用輸出信號驅動L298N，繼而驅動轉臺。 詳細設計方案: 1． 調制激光：利用ICL8038 發(fā)生方波信號，并用該方波信號對激光光源進行調制。后經(jīng)由加了鏡頭的四象限探測器對于激光光源在紙上所產(chǎn)生的反射光信號進行探測，通過照在四象限探測器上的位置不同產(chǎn)生不同的光信號。 2． 流壓轉換：將探測到的微弱光信號通入由運放LM324 組成的四路I/U 轉換電路，將微弱的電流信號轉換成較大的電壓信號，放大信號有利于之后對信號的處理。 3．解調濾波：將ICL8038產(chǎn)生的方波信號與四路I/U 轉換電路的輸出信號接入由乘法器AD633 組成的四路解調電路，進行解調。解調后的信號分別接入四路由運放UA741 組成的濾波電路進行濾波，從而將高頻的雜波進行濾除。減少干擾。 4．信號處理：將四路濾波后的信號分別通過由運放LM324 組成的四路加法電路，之后將四路加法電路的輸出信號根據(jù)四象限探測器上所產(chǎn)生的信號進行編號，將A+B 與C+D 兩路的輸出信號通入一個由運放UA741 搭建的加法電路中，同時將A+B 與C+D 的輸出,A+D 與B+C 的輸出分別接入兩個由運放UA741 搭建的減法電路中，并按照A+B-C-D,A+D-B-C 的方法接入減法電路的輸入當中，最后通過由乘法器AD633和運算放大器OP07組成的除法電路，對于輸入信號分別進行運算。 5．方向控制：將除法電路的輸出信號，經(jīng)過非門電路，接入L298N 所組成的運放電路中，從而實現(xiàn)對于控制方向的功能。 6．速率控制：依據(jù)需求利用ICL8038 搭建成一個輸出為特定頻率與幅值的三角波信號，并將兩路除法電路的輸出信號分別與該三角波信號在由LM399 組成的兩路比較電路中進行比較，并將比較后的信號接入L298N實現(xiàn)對于追蹤速率的控制。 三、 單元電路設計調試結果 1、 矩形波調制電路 圖3 ICL8038產(chǎn)生方波原理圖 用ICL8038產(chǎn)生的方波，通過三極管去調制激光光源，真正驅動激光光源的是VCC的電壓值。 圖4 ICL8038產(chǎn)生方波波形圖 實驗現(xiàn)象：產(chǎn)生的矩形波頻率接近為2.5KHZ，產(chǎn)生的方波峰峰值為888mV左右。 圖5 被調制激光波形圖 實驗現(xiàn)象：接激光三極管后的波形圖在頂部有削弱，底部接近為0V，經(jīng)過流壓轉換后，削頂?shù)默F(xiàn)象得到明顯的改善。 7805 NPN型三極管 ICL8038 圖6 調制激光電路連接圖 2、 I/V轉換電路 圖7 I/V轉化電路設計 由于I/V轉換器的輸出是電流值，要驅動后面的運算電路，需要將電流值轉換為電壓值，I/V的轉換倍率取決于電阻R1的阻值的大小，輸入電流為Ii，輸出電壓為，所以，因為四象限探測器的輸出大小為uA量級，所以選用了1M的電阻。 圖8 I/V轉化電路波形圖 調試結果：由四象限探測器接收到調制激光的光信號產(chǎn)生電流經(jīng)I/U轉換為如上圖所示的信號。 10pF電容 LM324 圖9 I/V轉化電路連接圖 3、 放大電路 圖10 放大電路電路設計 圖11 放大電路仿真結果 由于I/V轉換產(chǎn)生的電壓是負值而且電壓值較小，所以用LM324分別將四路I/V轉換電路輸出信號反向放大三十倍。 圖12 放大電路波形 調試結果：經(jīng)放大后波形全部位于橫軸以上，且峰值明顯提高。 LM324 圖13 二級放大電路連接圖 4、 解調電路 圖14 解調電路（乘法器） 由于我們調制電路是對光源進行的調制，所以只需要解調電路進行解調就行了，解調電路的原理是在調制信號的基礎上乘以一個原來的調制信號，當輸入一個正弦時，乘以兩次載波信號，就會形成如下公式： U0=12UmcosωΩt+14Umcos2ωc-Ωt+14Umcos2ωc+Ω (1) 可以看出原波形被單獨出來了，但是有兩個高頻雜波信號疊加了上去，然后只需要進行濾波就可以了。將高頻雜波濾掉，得到的就是原信號。 AD633 圖15 四路解調電路 5、 濾波電路 圖16 100Hz濾波電路電路設計 因為調制電壓輸出的是直流，所以應該將濾波器的截止頻率做的盡量小就可以了，選取截止頻率100Hz的二階有源低通濾波器，截止頻率公式 f=12πRC (2) 圖17 濾波器的截止頻率仿真圖 圖18 濾波器波形圖 調試結果：乘法電路輸出的信號經(jīng)低通濾波器后輸出為直流電平。  表1 濾波器A幅值隨頻率變化表 頻率/HZ 50 55 60 65 70 75 80 85 90 幅值/V 10.2 10.3 10.1 10.0 10.1 10.0 10.2 9.2 8.4 頻率/HZ 95 100 105 110 115 120 125 130 幅值/V 7.6 7.0 6.4 5.8 5.2 4.8 4.4 4.2 表2 濾波器B幅值隨頻率變化表 頻率/HZ 50 55 60 65 70 75 80 85 90 幅值/V 10.0 9.8 9.7 9.5 9.5 9.4 9.3 9.1 8.4 頻率/HZ 95 100 105 110 115 120 125 130 幅值/V 8.4 6.9 6.3 6.0 5.2 5.0 4.4 4.1 表3 濾波器C幅值隨頻率變化表 頻率/HZ 50 55 60 65 70 75 80 85 90 幅值/V 10.4 10.4 10.0 9.8 9.8 9.6 9.0 8.5 8.2 頻率/HZ 95 100 105 110 115 120 125 130 幅值/V 7.1 6.0 5.7 5.6 5.6 5.5 4.6 4.2 表4 濾波器D幅值隨頻率變化表 頻率/HZ 50 55 60 65 70 75 80 85 90 幅值/V 10.5 10.2 9.9 9.7 9.5 9.3 9.0 8.7 8.5 頻率/HZ 95 100 105 110 115 120 125 130 幅值/V 7.8 7.3 6.3 6.4 5.5 4.4 4.3 4.2 表5 濾波器的截止頻率 A B C D 截止頻率 98 100 95 103 截止電壓 7.2 7.5 7.0 7.8 圖19 濾波器A的幅頻特性曲線 圖20 濾波器B的幅頻特性曲線 圖21 濾波器C的幅頻特性曲線 圖22 濾波器D的幅頻特性曲線 圖23 四路濾波器電路連接圖 6、 減法電路 圖24 減法電路電路圖 因為要得到四象限探測器的具體位置，所以要求左右象限感受的光強的差值，通過減法器可以有效的得到。在搭建減法電路是要注意，輸入阻抗應該相同，輸入的電壓值會由于輸入阻抗的比值而產(chǎn)生正比關系，而且電壓值是由光強影響的，所以即使光照在同樣的坐標，四象限做的差值也會發(fā)生變化，和光強成正比，而為了避免光強對確定點的坐標發(fā)生影響，從而引入加法器和除法器。 表6 減法器輸出峰峰值 （A+D）-（B+C） （A+B）-（C+D） 最低 -514mV -603mV 最高 736mV 693mV A+B-C-D A+D-B-C 圖25 減法電路連接圖 7、 加法電路 圖26 加法電路電路圖 加法電路要注意，兩路輸入信號的輸入阻抗要相等，因為輸入電壓會受輸入阻抗的影響而導致輸入電壓值改變。 表7 加法器輸出最值 A+B C+D A+D B+C A+B+C+D Vmin 230mV 130mV 201mV 121mV 364mV Vmax 892mV 727mV 886mV 745mV 1140mV B+C A+D C+D A+B 圖27 加法電路連接圖 8、 除法電路 圖28 AD633組成的除法電路 圖29 除法電路仿真 圖30 除法電路輸出最小值 圖31 除法電路輸出最大值 實驗現(xiàn)象：得到電壓最大值6.23V，電壓最小值-7.97V。 OP07 AD633 圖32 兩路除法電路連接圖 9、 絕對值電路 由于除法電路輸出值為正負值，不能直接控制電機正反轉，且在PWM中需要與三角波進行比較，故增加絕對值電路。 圖33 絕對值仿真電路 圖34 三路絕對值連接電路 10、 非門電路 圖35 非門電路 采用74LS14非門芯片發(fā)現(xiàn)當輸入的負電壓小于-3V后，經(jīng)過非門不能輸出高電平，通過查找資料發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的三極管搭建的非門電路效果比74LS14的效果好。 圖36 三極管搭建的兩非門電路 11、 三角波電路 利用三角波進行PWM調制，直接用ICL8038產(chǎn)生三角波，再接入絕對值電路將其橫軸下半部分翻轉到上邊。 圖37 ICL8038產(chǎn)生三角波電路原理 圖38 ICL8038產(chǎn)生三角波波形圖 圖39 三角波經(jīng)絕對值電路產(chǎn)生波形 圖40 ICL8038產(chǎn)生三角波連接電路 12、 比較電路 將產(chǎn)生的三角波與除法電路后的絕對值電路進行比較產(chǎn)生PWM，比較電路如下圖所示 圖41 比較電路仿真 圖42 PWM波形（窄） 圖43 PWM波形（寬） 圖44 PWM產(chǎn)生電路連接 13、 L298N電路 圖45 L298N電機驅動電路 四、 整體電路搭建圖 圖46 整體電路連接圖 五、 整體電路功能 本次課程發(fā)光物自動跟蹤整體電路設計和搭建均已完成，整體電路可以做到如下功能： 1．通過探測視場內發(fā)光物體的位置，驅動電機跟蹤發(fā)光物體； 2．系統(tǒng)具有一定的抗環(huán)境光干擾能力； 3．通過改進最終跟蹤目標距離在105cm左右； 存在的缺陷與不足： 開始設計的是四路跟蹤探測，但最終只有一維達到了課程設計目標，另外一維主要問題表現(xiàn)在探測距離在50cm左右，且在無光環(huán)境時能自行轉動，當調節(jié)其分壓大小使其能在無光環(huán)境下靜止時，發(fā)現(xiàn)其探測距離也減小。 六、 小組課程設計總結 本次課設，我主要在其中負責小組成員的任務分配，統(tǒng)籌協(xié)調，調試小組成員所搭建的電路，遇到問題時召集小組成員進行討論，找到解決方法，例如在非門電路中，想到了在電工電子課程中學到的三極管搭建非門的方法，取代了原來借的芯片，并實際調試出較好的性能。在解決探測距離不足時，想到了提高二級的放大倍數(shù)，并通過改變絕對值電路后的分壓值，使電機的轉速合適。 我在本次課程設計中負責搭建了方波調制電路、I/V轉換電路、解調電路、減法電路、絕對值電路。本次課設我受益匪淺，從同學那里學到了很多只有通過動手實踐才能學到的東西。跟之前的自己比，在連線上比以前熟練了許多，領悟到了布局合理的重要性，知道了自學的重要性，學會了看芯片的datasheet。幾位同學都比我會的多、懂得多，我非常愧疚自己沒能幫上大忙，只能做一些簡單的事。我明白了自己想要的是什么，也明白了自己該做什么。 我在本次課設中，主要進行數(shù)據(jù)記錄并填寫學習進度計劃表，并對一部分電路進行了調試，整體電路出現(xiàn)問題，進行逐步排查解決問題。遇到了一些問題，首先是電路連線出錯，這就需要耐心和認真的態(tài)度去做好課設，還要就是整體電路不能正常工作時，要進行分步電路檢查，通過示波器對應的波形來判斷部分電路是否正常。這次課設帶給我的感受，知道了一些基本電路的原理知識，明白了激光自動跟蹤系統(tǒng)的流程，一個復雜的系統(tǒng)是由一個一個的單元部分構成的，部分電路的功能實現(xiàn)和效能，決定了總體電路成功與否和其能到達的性能高低，而且要敢于嘗試不同的方法去實現(xiàn)同一個目標，并進行比較選擇最適的方法解決問題。 本人在此次課設中主要負責濾波電路，放大電路和三角波電路的搭建，結題報告的編寫。本次課設，收獲頗深，感觸良多，從方波產(chǎn)生到PWM功率調制，學會設計許多電路。在搭建放大電路時我曾遇到直流分量無法消去的問題，于是我把原本的放大電路改進為交流放大電路，解決了這個問題。雖然后續(xù)又因為產(chǎn)生了波形相位移動的問題無法解決又改回了原方案，但發(fā)現(xiàn)問題解決問題分析問題的過程的經(jīng)驗是寶貴的。 我在此次課設中主要負責答辯及ppt的制作、加減法和除法電路及固定配件的搭建和所有焊接部分。在此次課設中相比于之前現(xiàn)代電子課程中學到的，此次課設中我則是更加針對于PWM的使用有更大的進步。并且學到用三角波比較來控制電機速度等等。并且在電路調試的過程中更加理解了整個電路搭建的原理，因為每次出錯誤必定是局部出現(xiàn)問題，導致整體出錯，所以要依次排錯。從而使得電路原理更加熟記于心。并且通過各種方法排除錯誤，拓寬了思維，使其不局限于書本。并且學到了很多寶貴的電路搭建和電路設計經(jīng)驗。 七、 實際用到器件 表8 實際用到器件 序號 電路名稱 名稱 數(shù)量 名稱 數(shù)量 1 方波調制電路 ICL8050 1 激光照射燈 1 2 I/U轉換電路 LM324 1 四象限探測器 1 3 解調電路 AD633 4 4 濾波電路 UA741 4 5 減法電路 UA741 2 6 加法電路 UA741 5 7 除法電路 AD633 2 OP07 2 8 絕對值電路 UA741 6 9 非門電路 8050三極管 2 10 比較電路 LM339 1 11 電機電路 12V直流電機 2 L298N 1