激光自動跟蹤課設(shè)報告.doc

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現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用綜合設(shè)計課程報告激光自動跟蹤電路設(shè)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(shè)計調(diào)試結(jié)果31、 矩形波調(diào)制電路32、 I/V轉(zhuǎn)換電路53、 放大電路74、 解調(diào)電路85、 濾波電路96、 減法電路137、 加法電路148、 除法電路159、 絕對值電路1710、 非門電路1811、 三角波電路1812、 比較電路2013、 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)計總結(jié)23七、 實際用到器件2424一、 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(zhuǎn)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(biāo)，根據(jù)從目標(biāo)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(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(nèi)外焊的焊縫跟蹤中，該系統(tǒng)中運用了本次課設(shè)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(qū)動焊槍準(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)，激光鎖定一個目標(biāo)，導(dǎo)彈自動追蹤激光的目標(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。從而實現(xiàn)自動制導(dǎo)。二、 系統(tǒng)功能及工作原理系統(tǒng)功能：本次課程設(shè)計目標(biāo)是設(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）等實現(xiàn)自動跟蹤，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 四象限探測器工作流程圖工作原理：用ICL8038發(fā)生的方波對光源進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)光線照射四象限探測器時，通過四路I/U轉(zhuǎn)換，將四象限探測器輸出的電流轉(zhuǎn)化成電壓，通過乘法器組成的解調(diào)電路，將經(jīng)過光源調(diào)制的信號解調(diào)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(qū)動L298N，繼而驅(qū)動轉(zhuǎn)臺。詳細(xì)設(shè)計方案:1 調(diào)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(jìn)行調(diào)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(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路，將微弱的電流信號轉(zhuǎn)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(diào)濾波：將ICL8038產(chǎn)生的方波信號與四路I/U 轉(zhuǎn)換電路的輸出信號接入由乘法器AD633 組成的四路解調(diào)電路，進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)后的信號分別接入四路由運放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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(shè)計調(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，通過三極管去調(diào)制激光光源，真正驅(qū)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(diào)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(zhuǎn)換后，削頂?shù)默F(xiàn)象得到明顯的改善。7805NPN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)計由于I/V轉(zhuǎn)換器的輸出是電流值，要驅(qū)動后面的運算電路，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(zhuǎn)化電路波形圖調(diào)試結(jié)果：由四象限探測器接收到調(diào)制激光的光信號產(chǎn)生電流經(jīng)I/U轉(zhuǎn)換為如上圖所示的信號。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)制信號的基礎(chǔ)上乘以一個原來的調(diào)制信號，當(dāng)輸入一個正弦時，乘以兩次載波信號，就會形成如下公式：U0=12Umcost+14Umcos2c-t+14Umcos2c+ (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(jìn)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(diào)電路5、 濾波電路圖16 100Hz濾波電路電路設(shè)計因為調(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=12RC (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/HZ505560657075808590幅值/V10.2 10.3 10.1 10.0 10.1 10.0 10.2 9.2 8.4 頻率/HZ95100105110115120125130幅值/V7.6 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/HZ505560657075808590幅值/V10.0 9.8 9.7 9.5 9.5 9.4 9.3 9.1 8.4 頻率/HZ95100105110115120125130幅值/V8.4 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/HZ505560657075808590幅值/V10.4 10.4 10.0 9.8 9.8 9.6 9.0 8.5 8.2 頻率/HZ95100105110115120125130幅值/V7.1 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/HZ505560657075808590幅值/V10.5 10.2 9.9 9.7 9.5 9.3 9.0 8.7 8.5 頻率/HZ95100105110115120125130幅值/V7.8 7.3 6.3 6.4 5.5 4.4 4.3 4.2 表5 濾波器的截止頻率ABCD截止頻率9810095103截止電壓7.27.57.07.8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(yīng)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(guān)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(biāo)，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(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736mV693mVA+B-C-DA+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(dǎo)致輸入電壓值改變。表7 加法器輸出最值A(chǔ)+BC+DA+DB+CA+B+C+DVmin230mV130mV201mV121mV364mVVmax892mV727mV886mV745mV1140mVB+CA+DC+DA+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。OP07AD633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(fù)值，不能直接控制電機正反轉(zhuǎn)，且在PWM中需要與三角波進(jìn)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(dāng)輸入的負(fù)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(jìn)行PWM調(diào)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(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(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電機驅(qū)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(shè)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(nèi)發(fā)光物體的位置，驅(qū)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(jìn)最終跟蹤目標(biāo)距離在105cm左右；存在的缺陷與不足：開始設(shè)計的是四路跟蹤探測，但最終只有一維達(dá)到了課程設(shè)計目標(biāo)，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(zhuǎn)動，當(dāng)調(diào)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(shè)計總結(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，遇到問題時召集小組成員進(jìn)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(xué)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(diào)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(zhuǎn)速合適。我在本次課程設(shè)計中負(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)到了很多只有通過動手實踐才能學(xué)到的東西。跟之前的自己比，在連線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)會了看芯片的datasheet。幾位同學(xué)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(shè)中，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄并填寫學(xué)習(xí)進(jìn)度計劃表，并對一部分電路進(jìn)行了調(diào)試，整體電路出現(xiàn)問題，進(jìn)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(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，要進(jìn)行分步電路檢查，通過示波器對應(yīng)的波形來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，明白了激光自動跟蹤系統(tǒng)的流程，一個復(fù)雜的系統(tǒng)是由一個一個的單元部分構(gòu)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(dá)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(biāo)，并進(jìn)行比較選擇最適的方法解決問題。 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)題報告的編寫。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)會設(shè)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(jìn)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(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)中我則是更加針對于PWM的使用有更大的進(jìn)步。并且學(xué)到用三角波比較來控制電機速度等等。并且在電路調(diào)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(dǎo)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(xué)到了很多寶貴的電路搭建和電路設(shè)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(diào)制電路ICL80501激光照射燈12I/U轉(zhuǎn)換電路LM3241四象限探測器13解調(diào)電路AD63344濾波電路UA74145減法電路UA74126加法電路UA74157除法電路AD6332OP0728絕對值電路UA74169非門電路8050三極管210比較電路LM339111電機電路12V直流電機2L298N1