1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上北京信息科技大學(xué)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(xué) 院 光電工程學(xué)院 專 業(yè) 光信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)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(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)

2、自動跟蹤，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(jī)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(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)計方案圖1為設(shè)計總框圖減法運(yùn)算流壓轉(zhuǎn)換過零比較非門電路絕對值電路產(chǎn)生鋸齒波加法運(yùn)算放大電路絕對值電路除法電路H橋PWM調(diào)速舵機(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, 以便后面計算。加法運(yùn)算：利用741進(jìn)行加法運(yùn)算，可計算出四象限所接收光的總

3、和。減法運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)算：利用324進(jìn)行絕對值電路，將減法運(yùn)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(jìn)行放大，送至除法器，以提高跟蹤距離。除法電路：由放大后的信號進(jìn)行除法運(yùn)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(jìn)而控制與H橋相連的舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。產(chǎn)生鋸齒波和絕對值電路：用324產(chǎn)生鋸齒波，再用絕對值電路處理波形。Pwm：進(jìn)行絕對值后的鋸齒波輸出與

4、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1. 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?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、動態(tài)范圍寬等特點(diǎn)，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(zhǔn)、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。一般將置于上或稍離開。當(dāng)目標(biāo)成像不在上時，四個象限上輸出的光幅度不相同，比較四個光的幅度大小就可以知道目標(biāo)成像在哪個象限上（也就知道了目標(biāo)的方位）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，我首先開始了四象限的電路

5、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(jìn)行了實(shí)物的連接。四象限原理圖如圖2圖2四象限光電探測器是光電探測器的一種，其工作原理是當(dāng)激光束經(jīng)過光路中的光學(xué)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(dāng)光

6、學(xué)系統(tǒng)廣州對準(zhǔn)目標(biāo)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(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓V1，V2，V3，V4來表示偏移量X和Y，表達(dá)式如下Vx=V1+ V4-(V2+V3）Vy=V1+ V2-(V3+V4）式中V1,V2,V3,V4為四象限輸出的光電流信號I1,I2,I3,I4轉(zhuǎn)換成的電壓信號，Vx，Vy分別為X和Y方向的電壓信號誤差。 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口的顯示A象限 B象限 C象限 D象限 2. 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

7、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(jìn)行相加作為一個區(qū)域，BC進(jìn)行相加作為一個區(qū)域。從而通過加減運(yùn)算來確定光斑的位置。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，產(chǎn)生的方波一個在正半軸，另一個在負(fù)半軸。3. 絕對值電路及過零比較電路由于四象限的減法運(yùn)算可能會出現(xiàn)負(fù)值，在進(jìn)行除法后，由于加法為正值，減法

8、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，所以需要一個絕對值運(yùn)算電路，絕對值就是對信號進(jìn)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(yùn)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(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741，正好絕對值剩了一個運(yùn)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(yùn)放的輸出如圖13圖13第二個運(yùn)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)

9、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(dāng)光源處于AD象限時，產(chǎn)生的是“1”的輸出；當(dāng)光源處于BC象限時，產(chǎn)生“0”的輸出。4. 非門電路用SN74HC14將過零比較進(jìn)行處理，將其兩個象限的輸出進(jìn)行反運(yùn)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(shí)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(dāng)光源處于AD象限時，產(chǎn)生“0”的輸出；當(dāng)光源處于BC象限時，產(chǎn)生“1”的輸出。5. 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(shí)現(xiàn)放大100

10、倍。放大器原理圖如圖18OUT圖18因?yàn)橛屑臃ê蜏p法兩個都需要放大，所以實(shí)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(shí)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。6. 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

11、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(shí)物連接圖如圖21 圖21當(dāng)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2V7. 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(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

12、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(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，然后接一個絕對值電路，將其全部變?yōu)檎缓笤賹⑵浣踊豍WM電路，實(shí)現(xiàn)對速度的控制。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258. H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H橋的驅(qū)動模塊，可將其直接連入電路

13、中，有兩根輸出線OUT1和OUT2與舵機(jī)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(dāng)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(shí)現(xiàn)自動跟蹤。先在面包板上將各個部分重新接了出來進(jìn)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(jìn)行測試，查錯，再焊接。測試成功后，才進(jìn)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。總之是個異常艱辛的過程。本來考慮了在流壓轉(zhuǎn)換后加上調(diào)制解調(diào)，因?yàn)榄h(huán)境光干擾實(shí)在是一個問題。所以就

14、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)換后的信號連接起來才可以測試，當(dāng)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(jìn)行反運(yùn)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)現(xiàn)是輸入波形還有負(fù)電壓的原因。就又加了一個絕對值電路，測試發(fā)現(xiàn)可以。將其與H橋相連，最后由H橋控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動。上面模塊都可以順利完成，也可以全部連在一起實(shí)現(xiàn)跟蹤，但是還有一個問題沒有解決，我們的四象限沒辦法與舵機(jī)相連，舵機(jī)轉(zhuǎn)得快，容易將四象限的線轉(zhuǎn)到一起?？雌饋砗唵蔚臇|西做起來才知道，其中的艱辛只有自己明白。每天早出晚歸泡在實(shí)驗(yàn)室，做起來連飯