方案论证与比较.docx
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方案论证与比较
目录
目录1
一、控制模块：
1
二、电机模块：
2
三、步进电机的驱动选择：
3
四、显示模块：
4
五、图像采集模块：
4
六、通信模块：
5
七、黑线探测（寻迹）模块6
八、位置传感模块6
九、温度传感器模块7
信号类模块总结：
8
十、微信号检测电路8
十一、移相网络设计8
十二、运放型号的选择9
十三、声响模块10
十四、角度传感器的选择10
十五、角度传感器的固定11
一、控制模块：
FPGA为系统的控制器——FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，他将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可适用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。
FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步进电机运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理优势得不到充分体现，并且由于集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
51单片机——传统的51单片机广为应用，具有使用简便、价格便宜等优点，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大。
AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域。
但是其运算速度较慢，功能相对单一，难以实现较为复杂的任务要求。
MSP430F149——MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，还有高效的查表处理指令。
而且MSP430单片机还具有处理能力强、运算速度快和超低功耗等优点。
MC9S12XS128——是一款功能强大的16位微控制器，具有丰富的片上资源，包括10位精度的ADC、强大的定时器、串行口等，支持浮点型运算，并且还有精密的比较器，大容量的RAM和ROM，在工业环境有较广泛的应用。
凌阳公司的SPCE061A单片机——该单片机I/O口资源丰富，并集成了语音功能。
芯片内置JTAG电路，可在线仿真调试，大大简化了系统开发调试的复杂度。
二、电机模块：
直流电机——直流电机力量大，能获得较大的启动转矩，转动速度快，调速范围广且方便，易于平滑调节和控制，可靠性高，调速时的能量损耗较小和过载、起动、制动转矩大、低速性能好，运行平稳、噪音低和效率高等优点。
但由于其控制精度较低，不能精确的转动固定角度。
直流电机转轴不能“令行禁止’,但是可以通过检测角度然后采取断电使电机停止转动，而且可以调整程序使电机能够根据摆杆的角度调整转速与方向。
步进电机——步进电机不需要使用传感器就能够通过给的的脉冲数转过固定的角度，并且能够控制转动速度，定距运动较精确。
步进电机只有周期性的误差，而无累积误差，使得它在速度、位置等控制领域的控制操作非常简单。
另外步进电机还有动态响应快易于起停，易于正反速及变速等优点。
但步进电机的功率相对较少，转速不高，并且是一令一转，在运行时噪音大、高速扭矩小，启动频率低，价格较高。
（机翼电机模块：
直流电机又分为直流无刷电机和直流有刷电机。
有刷电机——有刷电机具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电机相对简单等特点。
但有刷电机使用时功耗大、转速低、寿命短、噪声大且极易磨损。
无刷电机——无刷电机的控制电路相对复杂，但无刷电机的功耗只有有刷电机的1/3，寿命是有刷电机的4倍，但转速也远高于有刷电机，且低噪音、低干扰且绝对无磨损。
）
三、步进电机的驱动选择：
单电压驱动——单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，他的特点是电路简单，一般只用于小功率步进电机的驱动。
双电压驱动——双电压驱动是用来提高电阻的方法使绕组中的电流上升波形变陡。
他的基本思路是在低频段使用较低的电压驱动，在高频段使用较高的电压驱动，这种驱动方法在低频段具有单电压驱动特点，在高频段具有良好的高频性能。
四、显示模块：
LCD液晶显示屏——微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适。
显示容量大、占用单片机口线少、节省单片机时间。
（包括1602和12864液晶显示屏）
1602液晶显示屏——1602液晶显示屏体积小、超薄轻巧，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，但是它具有显示内容较少，没有汉字字库，不能显示曲线等缺点。
12864液晶显示屏——16824液晶显示屏具有微功耗、显示信息量大、字迹清晰、美观等优点，并且拥有汉字字库，可以显示曲线。
LED数码管——LED数码管亮度高，醒目，但是其电路复杂，显示信息量较小，且动态扫描需要占用大量单片机时间和大量单片机I/O口，无法做到实时显示。
五、图像采集模块：
模拟摄像头——模拟摄像头具有，但是需要多路AD采集，处理起来较为复杂。
数字摄像头——数字摄像头能够直接返回图像的亮度、色度等信息的数字值，且可以选择GBR、YUV等多种形式输出，具有操作方便的优点。
（OV6260）
六、通信模块：
串行通信——串行总线主要包括IIC总线和SPI总线，两者有较高的时序性，而且操作简单。
但常用的串行总线传输距离短。
无线模块——通过串口结合无线模块的形式可以将3米距离的主机和从机联系，没有了线的约束，大大改善了系统的灵活性。
但是无线模块需要加入串口结合无线收发模块的方式，硬件架构较为复杂。
现场总线CAN总线——CAN总线有严密的校验功能，而且在信号强度稳定的情况下，最长的传输距离长达10km。
CAN总线传输距离短而且只需要加入两个独立的CAN控制器小模块，实施较为方便，而且能保证传输严密性。
（独立的CAN控制器MCP2515）
七、黑线探测（寻迹）模块
多路阵列式光敏电阻组成的光电探测器——光敏电阻探测到黑线时，黑线上方的电阻值发生变化，经过电压比较器比较将信号送给单片机处理，从而控制物体做相应的动作。
但由于光敏电阻对环境光的识别，容易受到外界环境光的影响。
红外反射式探测——用已调的红外线垂直射到板面，经反射后转换为电信号送入单片机处理。
由于使用的是红外线，抗干扰能力强，不受外界自然光的影响，循迹效果好。
而且尺寸小、质量轻，便于安装。
反射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。
用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定性高。
热探测器——由于温度变化是因为吸收热能辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系，即对红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界环境影响比较大。
用发光二极管和光敏三极管组合——缺点在于其他环境的光源会对光敏二极管产生很大的干扰。
八、位置传感模块
光电传感器——在物体安装水平和垂直方向安装两只激光笔，在板边缘每条坐标线旁边安装一光电传感器，物体坐标所在处的传感器接收到激光笔，即可确定物体位置。
但用到的光电传感器会比较多，造成方案几乎不可实现。
软件方法确定物体位置——单片机控制物体从某个已知的坐标位置出发，并且记录步进电机的每一次移动情况，就可以通过一定的算法计算出物体的位置。
这种方案系统简单，避免了硬件过于复杂的特点。
但由于没有位置传感器，精度较低。
九、温度传感器模块
热电偶——需要配备专用的芯片进行测温，成本较高，调试复杂。
NTC型热敏电阻——需要借助A/D对电压进行采集，耗用资源较大，调试较复杂。
他是一种线性温度-电压转换电路，再通过工作电路（100uA）的条件下，元件的电压随温度呈线性变化。
测温范围在-200~200度之间。
但是这个温度对应唯一的电压值，读取的是电压，需要做相应的转换才能变成温度，很不方便。
DS18B20温度传感器——并用单总线与主机进行通信，占用资源较少，灵敏度较高，分度值可达到0.0625度。
它内含AD转换器，因此线路连接十分简单，无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据，电路十分简单，它能够达到0.5度的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器的方法还能达到0.2度以上的精度，应用方便，这样的电路主要工作量就集中到了单片机软件编程上。
信号类模块总结：
十、微信号检测电路
滤波电路检测微小信号——通过滤波电路将微小信号从强噪音中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，可能达不到某些要求。
取样积分电路检测微小信号——利用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善
倍，但是这种取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。
锁相放大器检测信号——锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器等组成，其中相敏检波器（PSD）是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有同频同相时，输出电流最大，具有很好的检波特性。
适合测试信号的频率是指定的且噪声强，信号弱。
十一、移相网络设计
移相网络是锁相放大器中的一部分。
全通滤波器模拟移相电路——一阶全通滤波器的移相范围接近180度，通过设计两级滤波则可使移相范围达到360度。
且电路简单可靠。
采用数字移相方法——数字移相可以在4个象限内进行0~89度的调节，合起来即实现了0~360度的移相，有集成芯片控制频率和相位预值，如用CD4046锁相环组成。
但电路复杂，成本也很高。
十二、运放型号的选择
OPA2227——高精度、低噪音的运算放大器，最低噪声8nV/Hz，通屏带宽8MHz，输入电源范围±2.5V~±18V，输入偏置电流最大值100pA，输入失调电压最大值2mV。
OPA2340——单电源、轨到轨的运算放大器，通频带5.5MHz,高转换速率6V/us，低噪声，低静态电流750uA/channel.
TLV2460——TLV2460带掉电模式的低功耗，轨到轨输入/出的运算放大器，
的输出驱动能力，增益带宽积6.4MHz，输入噪声电压11nV/√Hz,输入补偿电压100uV。
（相关芯片：
TL082——双运算放大器，双列8脚封装，电源电压±3V~±18V，通用的J-FET双运算放大器。
特点：
较低的输入偏置电压和偏移电流，输出设有短路保护，输入级具有较高的输入阻抗，内建频率补偿电路，较高的压摆率，最大工作电压Vmax=±18V。
NE5532、SE5532、SA5532、SE5532A、NE5532A、SA553
——是一种双运放高性能的低噪声运算放大器，相比较大多数标准运算放大器，能显示出更好的噪声性能，提高输出驱动和相当高的小信号和电源带宽。
适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通信放大器，如果噪音非常重要，建议使用5532A板，它能保证噪声电压指标。
）
十三、声响模块
集成运放驱动扬声器——可以使扬声器获得较大的功率，为接收电路提供了方便，但缺点是功耗过大，满足不了题中低功耗要求。
三极管搭建互补放大电路——由于三极管的导通压降非常小，自身消耗的功率几乎可以不计，所以可以达到很高的效率，同时电路具有较好的功率放大效果，电路搭建简单方便且满足低功耗。
模拟器件搭建一个信号发生电路——如自激电路，与逻辑门电路配合，在经由三极管放大电路驱动扬声器发声，人为通过纯电路产生某个可识别信号，电路构造复杂，在接受模块中又易受干扰，而且难度过大，接受模块亦难识别。
采用STC89C52单片机发生符合要求的声音信号，再通过三极管驱动扬声器发声。
此方案灵活方便，电路和程序简单。
十四、角度传感器的选择
MMA7361——是三轴小量程加速传感器，是检测物体运动和方向的传感器。
它根据物体的运动和方向改变自身输出的电压值。
如果物体沿着某个方向活动，或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而输出电压，同时再用单片机的A/D转化器读取此信号，就可以检测其运动和方向。
但是MMA7361是需要做成模块的，而且还需要将他固定到摆杆上，这对于安装就有了一定的难度，例如固定、重力问题、摆杆的重心和惯性等问题需要考虑，这对于AD值得采集就有了不少的误差。
WDD35D-4角度传感器——WDD35D-4本质上是一个大型号的电位器其精度在0.1%，标称阻值在0.5~10千欧之间，机械转角可达360度，电气旋角为330度，测量角度的最大偏差为0.345度，旋转角度传感器转轴时其阻值随之改变，当转轴转动360度后，电阻值与旋转前相等，一次，可通过读取电阻值的大小来计算旋转的角度，也可以利用ADC采样将电阻值转换为电压值来判断旋转角度。
由于WDD35D-4有转轴，可直接与摆杆固定，摆杆所摆过的角度就是转轴转过的角度，这样不仅尽可能小的避免了摆杆与转轴之间由于固定的问题所造成的误差，也很好的解决摆杆的安装问题。
采用增量式光电旋转编码器——光电旋转编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲。
旋转编码器具有体积小，精度高，工作可靠。
接口数字化等优点。
但是旋转编码器安装较为不便，增加了系统硬件电路设计的工作量。
十五、角度传感器的固定
用胶管将电机转轴与角度传感器转轴相连——选择胶管，胶管有一定的摩擦因数，能让角度传感轴同时旋转，但是胶管软件两轴连接部分不稳定易错位，当转速过高会导致胶管断裂，连接时不好固定。
用齿轮结构——齿轮结构是一种转动结构，两齿轮之间的连接使得齿轮结构具有良好的稳定性和精确性。
当电机转速过高时这种结构的精确性也不会降低，而且连接的两轴旋转完全同步。
十六、升降压电路的选择
采用BUCK电路与BOOST电路相结合的组合电路——由单片机经继电器控制需要选择的电路模式，交流电压AC24V经桥堆后电压会变成大于24V的DC。
系统要求输出电压稳定在36V，此时单片机经由AD采集转换判断经桥堆后的电压是大于36V还是小于36V，当小于36V时单片机通过继电器选择BOOST升压电路，反之选择BUCK电路。
直接使用BOOST——升压电路可以通过开关管IRF540调节输出的电压，开关管受AVR单片机产生的PWM波经由IR2104驱动IRF540的通断，输出电压U0=Uin*（D/（1-D））公式中D的PWMD的占空比。
BUCK电路:
BOOST电路：
十七、PFC控制电路选择
无源功率补偿法——其基本原理是把具有容性功率负载的装置与感性功率负荷装置并联在同一电路中，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而当感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量。
能量在两种负荷中交换，感性负荷所吸收的无源功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿。
一般采取的方法是并联电容法，但是由于无源功率补偿其功率因数一般达到70%左右，不具有良好的补偿性。
有源功率因数校正，目的在于改善电源输出功率因数，减小输入电流谐波。
采用一级PFC技术，即将PFC级与DC/DC级输入的预稳，实现统一控制，采用TI的UCC28019，该芯片通过双闭环完成调制，内环为电流环，在连续电感电流的条件下使平均输入电流跟踪正弦是输出电压成正弦波。
系统电压可由该芯片的VSENSE脚的输入电压与芯片内部+5v的基准电压决定，实际应用中可以通过调节反馈回该引脚的电压即可实现输出电压的数字调节。
（PFC意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（现在功率）之间的关系，也就是有效功率除以现在功率的比值。
PFC控制电路：
UCC28019：
十八、过流保护
采用2.5A的自恢复保险丝，方案简单易行。
采用单片机控制继电器达到过流保护目的，单片机通过片内AD采集系统输出电流，电流超过设定值时，单片机通过I/O口给继电器一个高电平使继电器跳闸电路断开，从而起到保护电路的目的。
这种方法有很强的使用性，可以满足系统的动作电流从2.3~2.7A，范围广。
十九、AD/DA的选择
ADC0832——为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨率可达256级，可以适应一般的模拟转化要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压在0~5V之间，芯片转换时间仅为32us,具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度慢且稳定性能较差，而且占用I/O口多。
PCF8591——PCF8591具有I2C总线结构的多通道8bits的逐次逼近型ADC和一个内置8bits单通道ADC功能多，速度超快，功耗低，单电源供电，串行输入输出，节约I/O口资源，并能在一个处理系统中外接多个PCF8591，能进行更多更强的处理。
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