基于控制的自由擺激光追蹤系統(tǒng)

陳 杰，夏晨林，張均峰

（蘇州大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

反饋是生命的核心特征。反饋過程控制著我們?nèi)绾纬砷L、如何應(yīng)對壓力和挑戰(zhàn)，并調(diào)節(jié)著體溫、血壓以及膽固醇水平等身體參數(shù)。反饋機制在各種層次上都起著作用，從細(xì)胞中蛋白質(zhì)的相互作用，到復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中生物體之間的相互作用，都有其貢獻(xiàn)[1]。本文研究的自由擺激光控制系統(tǒng)正是現(xiàn)代檢測與控制技術(shù)[2]應(yīng)用的典型案例。MCS-51兼容單片機作為典型早期開發(fā)產(chǎn)品，以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)以及高可靠性和性價比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和智能儀器儀表應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機應(yīng)用領(lǐng)域的主流。步進(jìn)電機因其較高的精度和可靠性廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機床、計算機外圍設(shè)備、自動記錄儀、鐘表等，另外，其在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用。如采用位置檢測和速度反饋，可以方便地實現(xiàn)閉環(huán)控制，而高性能細(xì)分驅(qū)動器能夠提高步進(jìn)電機控制的精度，也使得控制方法簡單靈活，便于調(diào)試。本文以下內(nèi)容將詳細(xì)介紹自由擺激光追蹤系統(tǒng)的原理和設(shè)計方案，并對其應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 自由擺激光追蹤系統(tǒng)的工作原理

1.1 方案原理

自由擺激光追蹤系統(tǒng)主要由控制模塊、角度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、輔助顯示模塊、自由擺機械裝置五個模塊組成。在擺桿擺動過程中，由角度檢測模塊檢測其擺動角度，并將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為一連串?dāng)?shù)字脈沖信號，傳送給控制模塊。控制模塊根據(jù)事先編寫的程序，對數(shù)字脈沖信號進(jìn)行處理，并向電機驅(qū)動模塊輸出反饋信號，控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動對應(yīng)的角度，使激光光斑始終照射在中心線上。其原理框圖如圖1所示，自由擺擺架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 自由擺擺架結(jié)構(gòu)

1.2 自由擺自動控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

設(shè)擺桿初始位置位于豎直方向，平板垂直于擺桿，擺桿重心距離轉(zhuǎn)動中心L，轉(zhuǎn)動中心與靶平面的水平距離為S。

（1）擺桿逆時針轉(zhuǎn)動

由圖3可知，當(dāng)擺桿轉(zhuǎn)動θ時，若要激光筆精確打靶，必須使得平板轉(zhuǎn)動φ=θ+α，其中α由下式給出

為了方便單片機進(jìn)行處理，我們將列出θ在0～60度之間變化時，對應(yīng)的φ的值，如表1所列。

表1 擺桿右擺，電機轉(zhuǎn)動角φ與擺角θ的關(guān)系

（2）擺桿逆時針轉(zhuǎn)動

由圖4可知，當(dāng)擺桿轉(zhuǎn)動θ時，若要使激光筆精確打靶，必須使得平板轉(zhuǎn)動φ=θ-α，其中α由下式給出

圖3 擺桿順時針轉(zhuǎn)動

圖4 擺桿逆時針轉(zhuǎn)動

為了方便單片機進(jìn)行處理，我們將列出θ在0～60度之間變化時，對應(yīng)的φ的值，如表2所列。

表2 擺桿左擺，電機轉(zhuǎn)動角φ與擺角θ的關(guān)系

在擺桿擺動過程中，根據(jù)前面分析的平板轉(zhuǎn)動控制原理及旋轉(zhuǎn)角度之間關(guān)系，根據(jù)擺桿擺角的變化，控制步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)，從而使激光筆光斑始終瞄準(zhǔn)照射在靶紙的中心線上。通過實驗分析，該裝置能夠達(dá)到預(yù)期的精度要求。

2 自由擺激光追蹤系統(tǒng)的方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)各個模塊的方案選擇

（1）控制器模塊

控制器模塊采用MCS-51兼容高性能微處理器SST89E516RD[4]為主控制芯片。MCS-51兼容單片機處理速度可完全滿足系統(tǒng)對實時性的要求，與檢測模塊和驅(qū)動模塊接口方便，可靠性、性價比高。編程環(huán)境為 Keil μVison（C語言）[5]，可以提高可移植性、結(jié)構(gòu)性及可讀性，且方便維護(hù)和修改。

（2）角度檢測模塊

角度檢測模塊采用增量式光電編碼器，型號為E50S8-200-3-1-24。主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成。碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；檢測光柵上刻有A、B兩組與碼盤相對應(yīng)的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯開1/4節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號在A、B兩相互差90°電度角，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差90°電度角的近似于正弦波的電信號，電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號處理，可以得到被測軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。

（3）電機模塊

電機模塊采用上海四宏電機有限公司生產(chǎn)的二相四線制步進(jìn)電機，型號為42BYGH102（主要參數(shù)為：步距角1.8°，工作電壓12 V，額定電流0.5 A，靜轉(zhuǎn)矩0.4 N.m）。

（4）電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊采用上海四宏電機有限公司生產(chǎn)的SH-215B高性能細(xì)分驅(qū)動器。

（5）顯示模塊

顯示模塊采用CD4094驅(qū)動七段式共陰極數(shù)碼管[3]。

系統(tǒng)各個模塊的方案選擇，如表3所列。

表3 方案總括

2.2 電路與軟件程序設(shè)計

以上分別討論了各個子模塊的選擇方案，確定結(jié)果如表3所示。下面將以上各模塊進(jìn)行電路整合，并為其設(shè)計軟件程序。在控制過程中，擺桿的位置信息通過安裝在轉(zhuǎn)軸上的增量式光電編碼器測出，兩路輸出信號進(jìn)入SST89E516RD單片機，OUTA接單片機外部中斷口P3.2，OUTB接單片機I/O端口P1.2，用控制程序進(jìn)行識別，即可得到擺桿的角位移變化信息。單片機對此進(jìn)行分析處理，依照指定功能通過一定算法控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，達(dá)到控制平板運動，激光定位等功能要求。在設(shè)計電路時，步進(jìn)機采用了專用驅(qū)動器SH-215B，其直接與單片機和步進(jìn)電機相連。總體電路設(shè)計框圖見圖5。

圖5 總體電路框圖

軟件部分主要實現(xiàn)擺動過程中平板的旋轉(zhuǎn)與平衡的控制。本系統(tǒng)主要通過SST89E516RD單片機接收由增量式光電編碼器采集的擺桿轉(zhuǎn)動角度（中斷處理），內(nèi)置平板狀態(tài)控制的算法，查表得到激光筆應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度，發(fā)送相應(yīng)角度旋轉(zhuǎn)指令給高性能細(xì)分驅(qū)動器SH-215B，驅(qū)動步進(jìn)電機實現(xiàn)平板的旋轉(zhuǎn)，確保在擺桿自由擺動過程中盡量使激光筆光斑始終瞄準(zhǔn)照射在靶紙的中心線上。另外，實時地將擺角的大小顯示在數(shù)碼管上。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

電路及軟件程序設(shè)計部分，電機驅(qū)動模塊是重要的一環(huán)，下面詳細(xì)介紹這一部分。SH-215B驅(qū)動器+5 V引腳接5 V控制電源，ENA引腳懸空，CP、DIR端分別接入單片機 P1.0、P1.1端口，VCC、GND接+24 V直流電源，A+、A-、B+、B-端口接到步進(jìn)電機相應(yīng)繞線，具體為：A+接紅線，A-接綠線，B+接黃線，B-接藍(lán)線，如圖7所示。

圖7 電機驅(qū)動電路設(shè)計

電機驅(qū)動子程序：

sbit P10=P1^0; //電機CP控制端

sbit P11=P1^1; //電機運轉(zhuǎn)方向控制

void maichong(uint i)//步進(jìn)電機控制輸入脈沖序列

{

uint j;

for(j=0;j

{P10=1;

delay();

P10=0;

delay();}

}

if(count>flag) //擺桿向右旋轉(zhuǎn)

{

P11=1;

if(count>0)maichong(tab1[count-1]);

else if(count<0)maichong(tab2[-count-1]);

else maichong(tab2[0]);

flag++;

}

if(count

{

P11=0;

if(count>0)maichong(tab1[count-1]);

else if(count<0)maichong(tab2[-count-1]);

else maichong(tab1[0]);

flag--;}

3 結(jié)束語

本文論述了一種較為簡單的自動控制系統(tǒng)—自由擺激光追蹤系統(tǒng)，其運用了反饋控制的基本理論和方法。反饋控制的基本環(huán)節(jié)包括測量、計算和驅(qū)動三個部分，在本系統(tǒng)中，測量裝置為增量式光電編碼器，計算部分為51單片機，驅(qū)動環(huán)節(jié)為兩相四線制步進(jìn)電機。由于各部件存在的原始誤差和時滯效應(yīng)，系統(tǒng)的精度受到一定的影響。在今后的研究工作中，可以將通過算法優(yōu)化的方法來減小系統(tǒng)的誤差并且提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，從而拓寬該控制系統(tǒng)在工業(yè)、航空航天、國防等重要領(lǐng)域的應(yīng)用，如在特殊環(huán)境下的激光鉆孔、切割，激光制導(dǎo)以及激光定位等。

[1]M.B.Hoagland，B.Dodson.The Way Life Works[M].New York:Three Rivers Press,1998.

[2]金 偉，齊世清，王建國.現(xiàn)代檢測技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[3]康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]鄒麗新，翁桂榮.單片微型計算機原理[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2009.

[5]陳 濤.單片機應(yīng)用及C51程序設(shè)計[M].第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.