发光物体自动跟踪装置设计.docx

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发光物体自动跟踪装置设计

北京信息科技大学

《现代电子技术综合设计》报告

题目发光物体自动跟踪装置

学院光电工程学院

专业光信息科学与技术

学号

姓名

指导老师

日期2015年1月29日

第一部分设计要求3

第二部分设计方案3

第三部分设计原理4

1.光信号采集与处理4

2.加减法电路6

3.绝对值电路及过零比较电路8

4.非门电路10

5.放大电路11

6.除法电路11

7.锯齿波及其绝对值12

8.H桥与舵机14

第四部分总结15

发光物体的自动跟踪装置课程设计

第一部分设计要求

设计一套可对发光物体进行自动跟踪的系统，其可对视场内的发光物体（如太阳，LED，激光光斑）等实现自动跟踪，从而实现始终将自身指向发光目标的功能。

1.基本要求

可探测系统视场内发光物体与系统自身光轴的偏差量；

可根据发光物体的偏差量，驱动转台电机带动系统跟踪发光物体；

全自动跟踪，最大跟踪角速度不大于1°/S；

系统具有抗环境光干扰能力；

跟踪目标距离大于70cm。

2.提高部分

提高跟踪精度和速度；

自由发挥。

第二部分设计方案

图1为设计总框图

图1

流压转换：

四象限产生的是电流值，利用324实现电压与电流之间的转换,以便后面计算。

加法运算：

利用741进行加法运算，可计算出四象限所接收光的总和。

减法运算：

用741计算出左右象限所接受光的差值，用来计算光斑位置。

过零比较：

用324对减法结果进行过零比较，大于零的部分输出为1。

非门电路：

将过零比较进行反向，得到的值同过零比较送至H桥控制正反转。

绝对值运算：

利用324进行绝对值电路，将减法运算中小于0的部分都变为正的。

放大电路：

将加法和绝对值输出信号进行放大，送至除法器，以提高跟踪距离。

除法电路：

由放大后的信号进行除法运算，加法为分母，绝对值为分子。

H桥：

将过零比较与非门与H桥的IN1和IN2相连，进而控制与H桥相连的舵机，实现正反转。

产生锯齿波和绝对值电路：

用324产生锯齿波，再用绝对值电路处理波形。

Pwm：

进行绝对值后的锯齿波输出与除法输出的电压同PWM相连，进行比较后输出不同占空比的方波，产生不同转速。

再进过非门电路得到理想转速对应关系。

第三部分设计原理及步骤

1.

光信号的采集与处理

使用器件：

四象限探测器、LM324

信号捕捉采用四象限探测器。

四象限探测器因为具有灵敏度和位置分辨率高、光谱范围宽、体积小、响应快、动态范围宽等特点，在光斑位置探测中得到了广泛应用。

其主要应用在捕获、对准、跟踪系统精跟踪的光斑检测和提前量伺服系统的光斑检测。

一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。

当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位）。

根据实验原理，我首先开始了四象限的电路连接，选定了电路后，就根据题目，设计计算电路中所需要的电阻阻值以及电容阻值，根据四象限输出的电流数量级是uA和所需的转换电压数量级为百mV以及电流电压转换的基本公式：

可以确定所选电阻的阻值范围，我选择了100

的电阻，然后进行了实物的连接。

四象限原理图如图2

图2

四象限光电探测器是光电探测器的一种，其工作原理是当激光束经过光路中的光学元件成像于四象限光电探测器的光敏面上时，产生一个光斑，如图三所示，光斑在探测器的4个象限分成A,B,C,D4个部分，光斑面积分别为S1，S2，S3，S4,对应的4个象限产生的光电流为I1，I2，I3，I4，,光斑中心相对于探测器中心X和Y方向的偏移量分别为

Y，当光学系统广州对准目标时，圆形光斑中心与四象限中心重合，即

=

Y，这时4个象限的光斑面积相同。

四象限光电探测器光电转换电流较小，一般只有几个纳安，需要经过运算放大器转换为电压V1，V2，V3，V4来表示偏移量

Y，表达式如下

式中

为四象限输出的光电流信号

转换成的电压信号，

分别为X和Y方向的电压信号误差。

流压转换原理图如图3

图3

实物连接图如图4

图4

示波器中四象限各个口的显示

A象限B象限

C象限D象限

2.加减法电路

四象限有四个区域A、B、C、D，而我们做了一维的发光物追踪装置，所以只需要用两个区域就可以，所以，要将四个区域的AD进行相加作为一个区域，BC进行相加作为一个区域。

从而通过加减运算来确定光斑的位置。

用741实现加法（A+B+C+D）及减法（（A+D）—（B+C））运算

使用器件：

LM324

根据加法器中的公式

以及减法器中的公式

，为了方便连接及计算，统一电阻都选用了100

的电阻。

加减法运算的原理图如图5所示

图5

实物连接图如图6

图6

加法示波器显示如图7

图7

减法示波器显示（如图8，9）

图8图9

当光源处于左右不同象限时，产生的方波一个在正半轴，另一个在负半轴。

3.绝对值电路及过零比较电路

由于四象限的减法运算可能会出现负值，在进行除法后，由于加法为正值，减法可能出现负值，所以除法结果存在负值现象，后面的环节需要正的电压，所以需要一个绝对值运算电路，绝对值就是对信号进行全波整流，将半波整流电路和加法器组合起来就构成了一个绝对值运算电路。

绝对值原理图如图10

图10

过零比较原理图如图11

图11

Ui接的是从减法器输入的信号，Uo的输出接到非门的输入

实物连接图如图12

图12

为了能很好地排版，也不用再焊接一个741，正好绝对值剩了一个运放，就将过零比较与绝对值接在同一个324上了。

过零比较与绝对值电路都与减法电路相连。

示波器显示绝对值

第一个运放的输出如图13

图13

第二个运放的输出如图14

图14

最后将正弦绝对值后的示波器显示如图15

图15

经过绝对值电路后产生的都是处于Y轴正半轴的正弦波

过零比较后示波器显示结果：

当光源处于AD象限时，产生的是“1”的输出；当光源处于BC象限时，产生“0”的输出。

4.非门电路

用SN74HC14将过零比较进行处理，将其两个象限的输出进行反运算。

非门原理图如图16

图16

除了管脚7和14外，所有奇数管脚都为输入，偶数管脚为输出

非门实物连接图如图17

图17

示波器显示结果：

与过零比较产生的信号正好相反，当光源处于AD象限时，产生“0”的输出；当光源处于BC象限时，产生“1”的输出。

5.放大电路

用324将加法和绝对值全都放大100倍。

利用公式VOUT=（1+R2/R1）V0，R2是100K,R1是1K，可以实现放大100倍。

放大器原理图如图18

图18

因为有加法和减法两个都需要放大，所以实际连接中需要两个放大电路，Ui接加减法输入,放大后输出。

放大器实物连接图如图19

图19

示波器显示结果：

一开始的加减法输出信号的电压为50mV，经过放大器放大100倍后输出信号的电压变为5V。

6.除法电路

用AD538进行除法运算，A+B+C+D作分母，（（A+D）—（B+C））作分子。

除法运算的作用是归一化,即把四象限相减得到的电压与相加得到的电压进行除法运算。

所需的主要实验器件：

AD538（用于将四象限的减法输出与加法输出相除，从而实现归一化）

除法电路原理图如图20

图20

AD538中管脚4输出的是+10V电压，管脚5输出的是+2V电压，我们将公式中的系数VY（也就是管脚10）与+2V（也就是管脚5）相连。

管脚3与管脚12相连；管脚11接一个二极管然后接地；管脚13,14都接地。

管脚2（Vz）即是分母，就是由放大电路输入的加法；管脚15（Vx）即为分子，就是由放大电路输入的减法。

管脚6和7分别接电源的+15V和—15V

实物连接图如图21

图21

当光源处于四象限中心时电压为零，无论光源在AD还是BC象限时电压值都不会超过2V

7.锯齿波及其绝对值

脉宽调制（PWM）基本原理：

控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。

也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

用PWM其中的锯齿波直接产生，然后接一个绝对值电路，将其全部变为正，然后再将其接回PWM电路，实现对速度的控制。

实物连接图如图22

图22

示波器显示

1管脚输出方波，图形如图23所示

图23

14管脚输出锯齿波，如图24所示

图24

脉宽调制输出波形如图25

图25

8.H桥与舵机

将H桥与PWM相连，再让H桥与舵机相连，控制舵机的正反转以及加减速。

H桥原理图如图26

图26

实物连接图如图27

图27

我们用的H桥是一个H桥的驱动模块，可将其直接连入电路中，有两根输出线OUT1和OUT2与舵机相连，使其转动。

第四部分总结

我们这次课设是接着上课时完成的模块继续做，虽然各个功能当时都已经出来了，但是我们是要将他们全部连在一起，然后整体实现自动跟踪。

先在面包板上将各个部分重新接了出来进行检测，成功以后就再去将它焊接。

虽然每次布局花的时间很长，不过最后出来的效果仍旧不是很理想。

焊接完以后进行测试，查错，再焊接。

测试成功后，才进行下一个模块。

每次焊接完一个模块后，连接之前的模块再检查。

到最后一个，也就是PWM模块完成后，结果不对也是从流压转换开始挨个查起。

总之是个异常艰辛的过程。

本来考虑了在流压转换后加上调制解调，因为环境光干扰实在是一个问题。

所以就在另一块板子上焊接了各种运算电路。

可两块板子都要接电压，还要将流压转换后的信号连接起来才可以测试，当时做的时候加上各种测试的线都要有二十来根了。

每次测试都要花很长时间将它们分清楚连接起来，一有错全都拆了拿去焊，再连还不行还要测，拆，焊。

那时候板子拿起来还挺壮观，有人说我们的板子像章鱼。

控制速度的时候发现，按照PWM可调电压来说，应该是电压越大速度越慢，所以我们连到非门，将其进行反运算，电压越大时速度越快。

可原来的电路电压调到零依旧在转。

思考发现是输入波形还有负电压的原因。

就又加了一个绝对值电路，测试发现可以。

将其与H桥相连，最后由H桥控制舵机转动。

上面模块都可以顺利完成，也可以全部连在一起实现跟踪，但是还有一个问题没有解决，我们的四象限没办法与舵机相连，舵机转得快，容易将四象限的线转到一起。

看起来简单的东西做起来才知道，其中的艰辛只有自己明白。

每天早出晚归泡在实验室，做起来连饭也股不上吃。

有了想法就要马上做出来，其中一次晚上还通宵，从晚上十点到早上十点，一下眼都没合，做出来想好了就焊，焊好了就测试，反反复复，一个晚上也就做了四个模块，还是差很多才能完成。

通过这次课设，我们明确分工，充分体现和很好的运用了团队精神，我们有不会的老师会耐心教，感谢老师们的教导。

参考文献

《现代电子技术及应用》（刘国忠，吕勇，马牧燕主编）

《国产四象限探测器》

《自动光源跟踪器的设计》（陕西理工学院毕业设计）

《过零比较电路》（来自电子发烧友网）

芯片资料均来自XX百科