激光自動(dòng)跟蹤課設(shè)報(bào)告.doc

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《現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)》課程報(bào)告 激光自動(dòng)跟蹤電路設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)調(diào)試結(jié)果 3 1、 矩形波調(diào)制電路 3 2、 I/V轉(zhuǎn)換電路 5 3、 放大電路 7 4、 解調(diào)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(duì)值電路 17 10、 非門(mén)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(shè)計(jì)總結(jié) 23 七、 實(shí)際用到器件 24 24 一、 綜述 現(xiàn)今社會(huì)，光的用途越來(lái)越多樣化，不論是用于照明，還是用來(lái)測(cè)繪，亦或是用在軍工方面，可以說(shuō)，人類(lèi)正在從電的時(shí)代向光的時(shí)代轉(zhuǎn)變，以前由電來(lái)解決得問(wèn)題，現(xiàn)在可以嘗試通過(guò)光電的手段來(lái)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(dòng)追蹤裝置，以激光照射運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，根據(jù)從目標(biāo)反射回來(lái)的激光信號(hào)與測(cè)量系統(tǒng)光軸的偏離角，控制測(cè)量系統(tǒng)指向目標(biāo)方向的技術(shù)。激光跟蹤系統(tǒng)通常由激光照明器、激光探測(cè)器、信息處理系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)組成。激光跟蹤（Laser Tracker ）是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測(cè)量?jī)x器。 英國(guó)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(jī)組內(nèi)外焊的焊縫跟蹤中，該系統(tǒng)中運(yùn)用了本次課設(shè)的激光自動(dòng)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(cè)器探測(cè)到激光位置，經(jīng)后續(xù)電路處理驅(qū)動(dòng)焊槍準(zhǔn)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(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)，激光鎖定一個(gè)目標(biāo)，導(dǎo)彈自動(dòng)追蹤激光的目標(biāo)位置，并且根據(jù)激光位置的位置調(diào)節(jié)導(dǎo)彈的飛行方向。從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制導(dǎo)。 二、 系統(tǒng)功能及工作原理 系統(tǒng)功能：本次課程設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(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，即始終將自身指向發(fā)光目標(biāo)，此外系統(tǒng)應(yīng)具有一定的抗干擾能力，可在室內(nèi)環(huán)境正常工作。  圖2 四象限探測(cè)器工作流程圖 工作原理：用ICL8038發(fā)生的方波對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)光線(xiàn)照射四象限探測(cè)器時(shí)，通過(guò)四路I/U轉(zhuǎn)換，將四象限探測(cè)器輸出的電流轉(zhuǎn)化成電壓，通過(guò)乘法器組成的解調(diào)電路，將經(jīng)過(guò)光源調(diào)制的信號(hào)解調(diào)成原信號(hào)和兩個(gè)高頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)濾波將高頻波濾掉，得到原信號(hào)。然后通過(guò)減法器和加法器算出（A+B-C-D）、（A+C-B-D）和（A+B+C+D），通過(guò)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(hào)用輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)L298N，繼而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案: 1． 調(diào)制激光：利用ICL8038 發(fā)生方波信號(hào)，并用該方波信號(hào)對(duì)激光光源進(jìn)行調(diào)制。后經(jīng)由加了鏡頭的四象限探測(cè)器對(duì)于激光光源在紙上所產(chǎn)生的反射光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)照在四象限探測(cè)器上的位置不同產(chǎn)生不同的光信號(hào)。 2． 流壓轉(zhuǎn)換：將探測(cè)到的微弱光信號(hào)通入由運(yùn)放LM324 組成的四路I/U 轉(zhuǎn)換電路，將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成較大的電壓信號(hào)，放大信號(hào)有利于之后對(duì)信號(hào)的處理。 3．解調(diào)濾波：將ICL8038產(chǎn)生的方波信號(hào)與四路I/U 轉(zhuǎn)換電路的輸出信號(hào)接入由乘法器AD633 組成的四路解調(diào)電路，進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)后的信號(hào)分別接入四路由運(yùn)放UA741 組成的濾波電路進(jìn)行濾波，從而將高頻的雜波進(jìn)行濾除。減少干擾。 4．信號(hào)處理：將四路濾波后的信號(hào)分別通過(guò)由運(yùn)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(hào)根據(jù)四象限探測(cè)器上所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行編號(hào)，將A+B 與C+D 兩路的輸出信號(hào)通入一個(gè)由運(yùn)放UA741 搭建的加法電路中，同時(shí)將A+B 與C+D 的輸出,A+D 與B+C 的輸出分別接入兩個(gè)由運(yùn)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(dāng)中，最后通過(guò)由乘法器AD633和運(yùn)算放大器OP07組成的除法電路，對(duì)于輸入信號(hào)分別進(jìn)行運(yùn)算。 5．方向控制：將除法電路的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)非門(mén)電路，接入L298N 所組成的運(yùn)放電路中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)輸出為特定頻率與幅值的三角波信號(hào)，并將兩路除法電路的輸出信號(hào)分別與該三角波信號(hào)在由LM399 組成的兩路比較電路中進(jìn)行比較，并將比較后的信號(hào)接入L298N實(shí)現(xiàn)對(duì)于追蹤速率的控制。 三、 單元電路設(shè)計(jì)調(diào)試結(jié)果 1、 矩形波調(diào)制電路 圖3 ICL8038產(chǎn)生方波原理圖 用ICL8038產(chǎn)生的方波，通過(guò)三極管去調(diào)制激光光源，真正驅(qū)動(dòng)激光光源的是VCC的電壓值。 圖4 ICL8038產(chǎn)生方波波形圖 實(shí)驗(yàn)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(diào)制激光波形圖 實(shí)驗(yàn)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(guò)流壓轉(zhuǎn)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(diào)制激光電路連接圖 2、 I/V轉(zhuǎn)換電路 圖7 I/V轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì) 由于I/V轉(zhuǎn)換器的輸出是電流值，要驅(qū)動(dòng)后面的運(yùn)算電路，需要將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，I/V的轉(zhuǎn)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?yàn)樗南笙尢綔y(cè)器的輸出大小為uA量級(jí)，所以選用了1M的電阻。 圖8 I/V轉(zhuǎn)化電路波形圖 調(diào)試結(jié)果：由四象限探測(cè)器接收到調(diào)制激光的光信號(hào)產(chǎn)生電流經(jīng)I/U轉(zhuǎn)換為如上圖所示的信號(hào)。 10pF電容 LM324 圖9 I/V轉(zhuǎn)化電路連接圖 3、 放大電路 圖10 放大電路電路設(shè)計(jì) 圖11 放大電路仿真結(jié)果 由于I/V轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電壓是負(fù)值而且電壓值較小，所以用LM324分別將四路I/V轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)反向放大三十倍。 圖12 放大電路波形 調(diào)試結(jié)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(jí)放大電路連接圖 4、 解調(diào)電路 圖14 解調(diào)電路（乘法器） 由于我們調(diào)制電路是對(duì)光源進(jìn)行的調(diào)制，所以只需要解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)就行了，解調(diào)電路的原理是在調(diào)制信號(hào)的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)原來(lái)的調(diào)制信號(hào)，當(dāng)輸入一個(gè)正弦時(shí)，乘以?xún)纱屋d波信號(hào)，就會(huì)形成如下公式： U0=12UmcosωΩt+14Umcos2ωc-Ωt+14Umcos2ωc+Ω (1) 可以看出原波形被單獨(dú)出來(lái)了，但是有兩個(gè)高頻雜波信號(hào)疊加了上去，然后只需要進(jìn)行濾波就可以了。將高頻雜波濾掉，得到的就是原信號(hào)。 AD633 圖15 四路解調(diào)電路 5、 濾波電路 圖16 100Hz濾波電路電路設(shè)計(jì) 因?yàn)檎{(diào)制電壓輸出的是直流，所以應(yīng)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(diào)試結(jié)果：乘法電路輸出的信號(hào)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(xiàn) 圖20 濾波器B的幅頻特性曲線(xiàn) 圖21 濾波器C的幅頻特性曲線(xiàn) 圖22 濾波器D的幅頻特性曲線(xiàn) 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?yàn)橐玫剿南笙尢綔y(cè)器的具體位置，所以要求左右象限感受的光強(qiáng)的差值，通過(guò)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(yīng)該相同，輸入的電壓值會(huì)由于輸入阻抗的比值而產(chǎn)生正比關(guān)系，而且電壓值是由光強(qiáng)影響的，所以即使光照在同樣的坐標(biāo)，四象限做的差值也會(huì)發(fā)生變化，和光強(qiáng)成正比，而為了避免光強(qiáng)對(duì)確定點(diǎn)的坐標(biāo)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(hào)的輸入阻抗要相等，因?yàn)檩斎腚妷簳?huì)受輸入阻抗的影響而導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(duì)值電路 由于除法電路輸出值為正負(fù)值，不能直接控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，且在PWM中需要與三角波進(jìn)行比較，故增加絕對(duì)值電路。 圖33 絕對(duì)值仿真電路 圖34 三路絕對(duì)值連接電路 10、 非門(mén)電路 圖35 非門(mén)電路 采用74LS14非門(mén)芯片發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入的負(fù)電壓小于-3V后，經(jīng)過(guò)非門(mén)不能輸出高電平，通過(guò)查找資料發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的三極管搭建的非門(mén)電路效果比74LS14的效果好。 圖36 三極管搭建的兩非門(mén)電路 11、 三角波電路 利用三角波進(jìn)行PWM調(diào)制，直接用ICL8038產(chǎn)生三角波，再接入絕對(duì)值電路將其橫軸下半部分翻轉(zhuǎn)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(duì)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(duì)值電路進(jìn)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)跟蹤整體電路設(shè)計(jì)和搭建均已完成，整體電路可以做到如下功能： 1．通過(guò)探測(cè)視場(chǎng)內(nèi)發(fā)光物體的位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(guò)改進(jìn)最終跟蹤目標(biāo)距離在105cm左右； 存在的缺陷與不足： 開(kāi)始設(shè)計(jì)的是四路跟蹤探測(cè)，但最終只有一維達(dá)到了課程設(shè)計(jì)目標(biāo)，另外一維主要問(wèn)題表現(xiàn)在探測(cè)距離在50cm左右，且在無(wú)光環(huán)境時(shí)能自行轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)調(diào)節(jié)其分壓大小使其能在無(wú)光環(huán)境下靜止時(shí)，發(fā)現(xiàn)其探測(cè)距離也減小。 六、 小組課程設(shè)計(jì)總結(jié) 本次課設(shè)，我主要在其中負(fù)責(zé)小組成員的任務(wù)分配，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，調(diào)試小組成員所搭建的電路，遇到問(wèn)題時(shí)召集小組成員進(jìn)行討論，找到解決方法，例如在非門(mén)電路中，想到了在電工電子課程中學(xué)到的三極管搭建非門(mén)的方法，取代了原來(lái)借的芯片，并實(shí)際調(diào)試出較好的性能。在解決探測(cè)距離不足時(shí)，想到了提高二級(jí)的放大倍數(shù)，并通過(guò)改變絕對(duì)值電路后的分壓值，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速合適。 我在本次課程設(shè)計(jì)中負(fù)責(zé)搭建了方波調(diào)制電路、I/V轉(zhuǎn)換電路、解調(diào)電路、減法電路、絕對(duì)值電路。本次課設(shè)我受益匪淺，從同學(xué)那里學(xué)到了很多只有通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐才能學(xué)到的東西。跟之前的自己比，在連線(xiàn)上比以前熟練了許多，領(lǐng)悟到了布局合理的重要性，知道了自學(xué)的重要性，學(xué)會(huì)了看芯片的datasheet。幾位同學(xué)都比我會(huì)的多、懂得多，我非常愧疚自己沒(méi)能幫上大忙，只能做一些簡(jiǎn)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(shè)中，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄并填寫(xiě)學(xué)習(xí)進(jìn)度計(jì)劃表，并對(duì)一部分電路進(jìn)行了調(diào)試，整體電路出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行逐步排查解決問(wèn)題。遇到了一些問(wèn)題，首先是電路連線(xiàn)出錯(cuò)，這就需要耐心和認(rèn)真的態(tài)度去做好課設(shè)，還要就是整體電路不能正常工作時(shí)，要進(jìn)行分步電路檢查，通過(guò)示波器對(duì)應(yīng)的波形來(lái)判斷部分電路是否正常。這次課設(shè)帶給我的感受，知道了一些基本電路的原理知識(shí)，明白了激光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的流程，一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)是由一個(gè)一個(gè)的單元部分構(gòu)成的，部分電路的功能實(shí)現(xiàn)和效能，決定了總體電路成功與否和其能到達(dá)的性能高低，而且要敢于嘗試不同的方法去實(shí)現(xiàn)同一個(gè)目標(biāo)，并進(jìn)行比較選擇最適的方法解決問(wèn)題。 本人在此次課設(shè)中主要負(fù)責(zé)濾波電路，放大電路和三角波電路的搭建，結(jié)題報(bào)告的編寫(xiě)。本次課設(shè)，收獲頗深，感觸良多，從方波產(chǎn)生到PWM功率調(diào)制，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)許多電路。在搭建放大電路時(shí)我曾遇到直流分量無(wú)法消去的問(wèn)題，于是我把原本的放大電路改進(jìn)為交流放大電路，解決了這個(gè)問(wèn)題。雖然后續(xù)又因?yàn)楫a(chǎn)生了波形相位移動(dòng)的問(wèn)題無(wú)法解決又改回了原方案，但發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題分析問(wèn)題的過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)是寶貴的。 我在此次課設(shè)中主要負(fù)責(zé)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(shè)中相比于之前現(xiàn)代電子課程中學(xué)到的，此次課設(shè)中我則是更加針對(duì)于PWM的使用有更大的進(jìn)步。并且學(xué)到用三角波比較來(lái)控制電機(jī)速度等等。并且在電路調(diào)試的過(guò)程中更加理解了整個(gè)電路搭建的原理，因?yàn)槊看纬鲥e(cuò)誤必定是局部出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致整體出錯(cuò)，所以要依次排錯(cuò)。從而使得電路原理更加熟記于心。并且通過(guò)各種方法排除錯(cuò)誤，拓寬了思維，使其不局限于書(shū)本。并且學(xué)到了很多寶貴的電路搭建和電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。 七、 實(shí)際用到器件 表8 實(shí)際用到器件 序號(hào) 電路名稱(chēng) 名稱(chēng) 數(shù)量 名稱(chēng) 數(shù)量 1 方波調(diào)制電路 ICL8050 1 激光照射燈 1 2 I/U轉(zhuǎn)換電路 LM324 1 四象限探測(cè)器 1 3 解調(diào)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(duì)值電路 UA741 6 9 非門(mén)電路 8050三極管 2 10 比較電路 LM339 1 11 電機(jī)電路 12V直流電機(jī) 2 L298N 1