某某激光设计项目设计方案.docx
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某某激光设计项目设计方案
某某激光设计项目设计方案
第一章引言
1概述
1.1方案目的及意义
本方案利用激光准直性好、光强度高等特点，研制出一种高速、精确且易于安装的一维定位随动系统，实现激光实时对准移动中的标靶。
其可应用于勘探、测量、追踪、识别等各生产生活领域，具有较广泛的应用前景。
1.2国外现状
目前,世界上先进的大尺寸测量技术主要有激光跟踪测量、数字扫描摄影、激光经纬仪、多关节测量机器手、三坐标测量机、双频激光干涉等。
其中，激光跟踪测量技术是在“光靶运动—光束跟踪”理论基础上发展起来的，利用激光干涉测长、精密测角及光靶跟踪技术，可对任意点的空间坐标进行实时跟踪测量，精度高、速度快、围大、通用性强，特别适合于大尺寸工件的现场测量，在大型设备的制造安装过程中得到广泛的应用。
现有的“光靶运动—光束跟踪”式激光跟踪测量技术的工作原理是：
手持测量光靶与被测量对象接触，测量激光束始终跟踪瞄准测量光靶，精确测量被测点的空间位置。
但其存在以下四个问题：
（1）不能直接应用被测对象的数字模型，对其进行自动高效测量）、；
（2）对大型被测对象，人工布点及测量过程繁杂，测量效率低；（3）人工操作测量造成被测对象几何形变，严重影响测量精度；（4）对大型薄壁结构，测量过程困难，甚至无法进行。
如何解决以上问题，是当前激光跟踪测量技术领域的焦点。
1.3方案创新点
本系统光路采用半透半反镜及全反射膜，以取代普通光学系统中透镜组，可提高定位的精度，降低安装调试难度。
目标靶被安放在相对固定的环形导轨上，其表面覆有薄的全反射膜，使反射传递给系统光敏传感器的激光信号具有足够的强度。
采用控制能力较强的飞思卡尔16位单片机，增强实时控制能力。
机械结构也相对简单，安装调节都比较方便，经济实惠。
本系统具有广阔的应用前景，适应不同的精度要求，可加以扩充，如依靠两套传感器实现平面定位跟踪、通过扩充及改变传感器排布可实现3维追踪等。
在合适的工艺条件下，该系统可以适应绝大多数环境，具有很强的适应性。
2技术报告容安排
本文分五个部分对本系统的设计制作进行说明。
第二章是对设计的一个简单的说明，主要容是对设计的一个技术概述。
第三部分是对机械及光学设计的说明。
第四部分主要介绍系统传感器的设计安装，系统电路板的固定和安装以及硬件电路的设计原理、创新点和实现过程等。
第五部分是对系统软件设计部分的说明，主要容是随动系统设计中主要用到的控制理论、算法说明及代码设计介绍等。
第六部分是对开发工具、制作、安装、调试过程等所做的一些说明，以及模型车一些主要技术参数的说明。
第二章设计思路及方案论证
2.1主要设计思路
本系统制作的主要思路是利用激光组对目标靶的偏离状态进行识别，并将信息采集到MC9S12XS128单片机中，在MC9S12XS128单片机中利用一定的控制算法来控制伺服系统的工作状态，以消除光源对目标靶的偏差，使激光组始终对准目标靶，达到随动定位的目的。
系统整体分为传感器光学系统、机械运动系统、硬件电路系统。
其中由传感器光学系统为传感器提供稳定的成像信号；机械运动系统为激光器及传感器提供平滑、精确的转动，使其能始终对准目标靶；硬件电路系统为单片机、激光器以及激光传感器等提供电源、进行信号传递以及信号处理。
我们构造如下模型：
在平面圆环上设置有一目标靶，其可绕圆环自由转动，且靶面面对圆心；从圆心附近发出的若干光线束照射到靶面上，经靶面反射后的信号光线束通过传感器接收后送入单片机；将经运算得到的偏移方向信号传至伺服舵机使其转动以达到消除偏差的作用，从而使光线束始终对准靶面。
其示意图如下：
【尚未完成】
2.2控制算法方案论证
标靶的示意图如下图所示：
标靶上，反光区由全反射材料构成，能将入射光以原先的角度反射回去，且保持光强不减弱；吸收区由吸光材料构成，可吸收绝大部分入射光，无反射信号。
若我们将反射光信号通过光学传感器接收，便可通过电平信号得知光束照射区域是否为反光区，以此作为信号识别的基础。
我们将两束垂直排布的激光束分别照在标靶的上部和下部，这样就构成了一组能对标靶偏移方向进行识别的信号组。
偏移有以下几种状态：
（1）、若标靶无偏移，则两束光都能经反射进入光电传感器，此时不进行修正；
（2）、若标靶向左偏移，则下部激光束移入吸收区，此时仅上部激光束信号能够被接受到，此时将传感器向左转动，便可修正方向直到进入无偏移的状态；
（3）、若标靶向右偏移，则上部激光束移入吸收区，仅下部的光信号能被接受，传感器可向右移动以纠正偏差。
对于两个传感器都没有接收到信号的状态，我们认为这是异常信号，控制程序不会启动。
状态图如下：
传感器上
传感器下
偏移状态
控制
1
1
无偏移
/
1
0
标靶左偏
向左转动
0
1
标靶右偏
向右转动
0
0
/
/
2.3光学方案论证
2.3.1光学方案简介
我们设计如下光学结构：
图2-3-1光学结构
50%分光板以与半径成45°夹角安放，激光发射器沿径向安装用以发射激光束，激光束经分光板折射后若照射到圆周上安装有全反射膜的标靶，则光束沿入射路径返回，再经分光板反射被光敏电阻到。
图中D1为激光器到分光板的距离，D2为分光板到传感器的距离；我们可以通过计算得到符合实际需求的尺寸参数。
2.3.2具体参数分析
1、光强
由于采用50%分光板，若激光器发射光强为E，则经过此系统后，光电传感器接受到的光强为0.25E
2、误差来源分析
在本系统中，误差来源主要有三种形式：
激光头偏转误差，激光头偏移误差以及分光板偏转误差。
这三种误差均会导致激光接收器件的灵敏度产生变化，因此需要格外注意。
图2-3-2激光头偏转误差
激光头偏转误差由激光头在安装过程中由于角度定位不精确造成，会导致最终的光线在偏离传感器的同时造成光束倾斜，使接收的光线强度减弱（计算过程省略）。
为避免此类误差，应在改善机械设计方案的同时提高加工精度。
图2-3-3激光头偏移误差
激光头偏移误差由激光头支座安装孔在加工过程中由于定位不精确造成的误差，会导致最终的光线在径向产生一定的平移，影响光电传感器的安装及检测信号强度。
图2-3-4分光板偏转误差
分光板偏转误差由分光板支座在加工及装配过程中的误差引起，会导致从分光板上反射的光线沿其他方向射出，其中Δα=2Δ。
2.4硬件设计方案论证
【尚未完成】
第三章机械结构简介及调整
3.1定位靶系统组成与安装
【尚未完成】
3.2光学系统组成与安装
【尚未完成】
3.3运动伺服系统组成与安装
【尚未完成】
第四章系统硬件电路设计
4.1电源管理模块
电源用于给系统各部分供电。
本系统主供电采用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池。
由于电池的输出电压会有扰动，而且电机的功率改变会导致电源电压输出产生突变，因此需要给各电源进行稳压。
单片机和逻辑电路需要5V电压，转向舵机模块需要6V电压，因此要重点考虑各供电模块之间的影响。
整体电路框图如图4-1所示：
图4-1-1系统整体电路框图
最常见的电源管理芯片是78L05，价格低廉，电路成熟，但是考虑到78L05的高电压差，所以电源管理系统中采用了低压降的电压调节器LM2940来产生5V电压。
本电路中，我们所使用的稳压器为LM2940，其不仅外接电路简单，而且带负载能力也比较强。
在需要6V电压的传感器供电电路中，我们采用LM2940的3脚串联一个二极管来提高电压，是电压达到6V。
LM2940的输出电流为1A，在输出为1A的情况下，其典型的压降只有0.5V。
电源电路如图4-2：
图4-1-2电源管理模块电路
4.2单片机最小系统
单片机模块是整个系统的核心，它对采集到的数据进行分析根据控制算法作出决策，驱动伺服电机对激光组和传感器的朝向进行控制。
由于本系统所进行的数据处理量并不大，所以对单片机实时性要求不高。
采用飞思卡尔公司的十六位MC9S12XS128单片机可以较好地实现要求，它是HCS12系列的增强型产品，基于S12CPU核，可达到25MHz的HCS12的2~5倍的性能。
S12X系类增加了172条额外指令，可以执行32位运算，总线频率可达到40MHz，并具备完全的CAN功能，改进了中断处理能力。
主要特性：
S12XCPU，最高总线速度40MHz；
64KB、128KB和256KB闪存选项，均带有错误校正功能（ECC）；
带有ECC的、4KB至8KBDataFlash，用于实现数据或程序存储；
可配置8、10或12位模数转换器（ADC），转换时间3μs；
支持控制区域网（CAN）、本地互联网（LIN）和串行外设接口（SPI）协议模块；
带有16-位计数器的、8-通道定时器；
出色的EMC，及运行和停止省电模式；
以MC9S12XS128为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分：
时钟电路、电源电路、复位电路、BDM接口。
其中各个部分的功能如下：
（1）、时钟电路给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振。
（2）、电源电路主要是给单片机提供5V电源。
（3）、复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。
（4）、BDM接口让用户可以通过BDM头向单片机下载和调试程序。
本系统采用最小系统板如图4-2所示：
图4-29S12XS128开发板
板上有构成最小系统必要的复位电路、晶体振荡器及时钟电路，串行接口的RS-232驱动电路，+5V电源插座。
单片机中已经写入了开发的监控程序。
单片机的大部分I/O端口都通过两个32芯插头引出。
4.3激光器模块
激光头是本系统传感器信号的发生器，是为控制提供信息的来源，处于设计的核心地位。
激光传感器的优点是前瞻距离远，抗干扰性强，可调制发射激光，反射效果好。
4.3.1激光头的基本原理
激光的基本结构：
垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。
其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。
半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。
当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：
λ=hc/Eg
（1）
式中：
h—普朗克常数；c—光速；Eg—半导体的禁带宽度。
上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。
当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出子现象称为受激辐射。
如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。
当有源层的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。
当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光。
4.3.2激光发射管的相关参数
（1）波长：
即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
（2）阈值电流Ith：
即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。
（3）工作电流Iop：
即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。
（4）垂直发散角θ⊥：
激光发射管的发光带在垂直PN结方向开的角度，一般在15˚~40˚左右。
（5）水平发散角θ∥：
激光发射管的发光带在与PN结平行方向所开的角度，一般在6˚~10˚左右。
（6）监控电流Im：
即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。
4.3.3相关电路
本系统需采集两个离散点的光强度信号，共使用两路激光发射管。
为简化激光传感器的控制，防止传感器之间互相干扰，激光发射采用分时发光的策略，同一时间只有一只激光管发光，因而最大限度地防止传感器之间的互相干扰。
使用单片机的两路输出口分别进行输出控制，控制信号经三极管进行电流放大后使激光发射管工作。
其参考电路图如下：
图4-3-3激光发射管电路图
4.4光电传感器模块
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
本系统采用光敏电阻对反射的激光信号进行收集，若有激光照射到光敏电阻，则其阻值变小，导致其分压变小，这样可使输出电压增大。
表示在V-t图上为一上升沿。
反之若激光移出，光敏电阻电阻值迅速增大，输出电平降低，表示在V-t图上为一下降沿。
为保证光信号接收的质量，对光敏电阻采集到的信号做一次放大。
采用LM324集成运放进行同相比例运算，其放大增益可调。
经运放放大以后的电平信号再经LM339比较器与参考电平进行比较，可将模拟信号转化为0V及5V的TTL高低电平信号送入单片机处理。
其参考电路图如下：
图4-4光电传感器模块电路图
4.5伺服电机模块
舵机就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。
能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。
舵机安装了一个电位器（或其它角度传感器）检测输出轴转动角度，控制板根据电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。
这样的直流电机控制方式叫闭环控制，所以舵机更准确的说是伺服马达，英文servo。
舵机的主体结构如下图所示，主要有几个部分：
外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。
简单的工作原理是控制电路接收信号源的控制信号，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。
图4-5-1舵机的结构
舵机是一个微型的伺服控制系统，具体的控制原理可以用下图表示：
图4-5-2舵机的工作原理
工作原理是控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。
本系统采用一路16位PWM波形输出作为舵机控制信号，将舵机信号线直接与单片机输出相连即可。
第五章系统软件设计
5.1模块设计
5.1.1系统时钟模块
单片机是一片超大规模集成电路，要让单片机工作，要供给电源、时钟，要有能和人沟通的接口。
这些是构成单片机最小系统的基本辅助硬件。
让系统能工作，软件上要对系统进行初始化，对单片机部的各控制寄存器进行配置，来满足系统的功能要求。
系统初始化的过程就是建立单片机运行环境的过程，具体完成：
1.选择工作模式
工作模式通过软件和硬件结合的方式选定为普通单片工作模式，即不使用MEBI接口连接外设。
2.资源映射
对部地址资源的分配采用普通单片工作模式初始化时默认的配置，0000到0400为寄存器地址空间，0400到07FF为EEPROM地址空间，2000到3FFF为部RAM地址空间，4000到7FFF为一块固定的FlashEEPROM地址空间，8000到BFFF为页面FlashEEPROM地址空间，C000到FFFF为一块固定的FlashEEPROM地址空间，其中FF00到FFFF为中断向量地址空间。
3.配置时钟
设置单片机部的总线频率为24MHz，CPU单元工作频率是总线频率的2倍为48MHz。
时钟的初始化要通过对几个寄存器的读写来实现。
具体实现框图见图5.1。
其中REFDV，SYNR与外部晶振频率（OSCCLK）、锁相环时钟频率（PLLCLK）关系为：
图5-1中的判断作用是使锁相环稳定后选择锁相环时钟为系统时钟。
图5-1时钟初始化框图
实际使用的外部晶振为16MHz，因此选择SYNR为2，REFDV为1，就可以使时钟频率达到24MHz，接近上限频率25MHz。
5.1.2普通I/O模块
MC9SDG128的所有I/O口通过端口复用，可以实现诸多功能，在赛车的设计中我们将拨码开关引入单片机的I/O口实现系统运行参数的调节。
5.1.3中断模块
通过设置寄存器，可以设定好中断触发方式，清中断标志方式，定时方式和溢出中断方式等等。
设置好后，只要开中断，等待管脚上或者是的中断触发，即可进入中断服务程序。
单片机中断形式丰富，图5-1-3列出了其中一部分的中断向量地址。
图5-1-3部分中断向量地址列表
要使用对应中断时，除了设置好中断的各种方式和开中断，最后还需要将中断向量地址和相应的中断服务程序对应起来。
比如图5-1-4所示：
图5-1-4中断向量表
5.1.4PWM模块
PWM（PulseWidthModulate）即脉宽调制，脉宽调制是一种可以用程序来控制波形占空比、周期、相位的方法。
它在电机驱动、D/A变换等场合具有广泛应用。
MC9S12芯片的PWM脉宽调制模块有8路独立的可设置周期和占空比的8位PWM通道，每个通道配有专门的计数器。
该模块有4个时钟源，能分别控制8路信号。
通过配置寄存器可设置PWM的使能与否、每个通道的工作脉冲极性、每个通道输出的对齐方式、时钟源以及使用方式（八个8位通道还是四个16位通道）。
在本系统的软件设计中，我们将PWM0、PWM1两路8位通道合并为一个16位通道来控制舵机，由于转向伺服电机需要的PWM波的频率只有50HZ，而8位的PWM通道最小只能达到200HZ，所以只有采用16位的PWM通道，选择通道0和通道1组成16位的PWM通道。
选择时钟A，频率为总线频率的1/16，而总线频率为24MHZ，这样算下来16位PWM通道的频率为1.5MHZ。
而我们需要的PWM波的频率只有50HZ，PWM通道周期寄存器的初值为：
1500000/50=30000，占空比在5%-10%之间，那么PWM通道占空比寄存器初值围是1500—3000。
速度控制所需要的PWM波的频率是20KHZ，所以我采用8位的PWM通道来产生20KHZ的PWM波。
选择通道7，采用频率为总线频率的时钟B，按照前述的方法计算的得到PWM通道周期寄存器初值为200，占空比依照不同速度控制来设定。
具体配置如下：
voidInit_PWMout（void）
｛
｝//设置PWM45的周期为3kHz;
5.2位置传感器信号采集及模式识别
【尚未完成】
5.3运动系统控制
【尚未完成】
第六章系统开发与调试
6.1调试
【尚未完成】
6.2系统技术参数统计
【尚未完成】
第七章总结
【尚未完成】
参考文献
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附录I源程序
附录II原理图
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