自動(dòng)追蹤目標(biāo)激光投線儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
翁飛兵，彭春輝
(國(guó)防科技大學(xué)，湖南氏沙410073)
摘要：為激光投線儀設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)，使得投線儀能夠自動(dòng)追蹤目標(biāo)。主控制器件采用PIc系列單片機(jī)，接受無(wú)線電遙控信號(hào)來(lái)控制投線儀的運(yùn)動(dòng)，采用直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，從而能準(zhǔn)確定位所投射的激光線．
O引 言
目前市場(chǎng)上流行一種激光投線儀(也稱激光標(biāo)線儀)，這種儀器能大范圍內(nèi)發(fā)出水平、垂直激光線，廣泛應(yīng)用于天花板施工，水電、空調(diào)、消防管路架設(shè)等各項(xiàng)需要垂直線、水平線的相關(guān)工程。激光投線儀雖然能夠自動(dòng)調(diào)整水平線，但是只能靠手動(dòng)來(lái)投射垂直激光線，例如日本的拓普康A(chǔ)L-KYRT、AL-K Yll激光投線儀等等。隨著該產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)激光線投射精度要求越來(lái)越高，室外施工的不便，手動(dòng)越來(lái)越不能滿足人們的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了基于PIc單片機(jī)的自動(dòng)追蹤目標(biāo)激光投線儀的控制系統(tǒng)。自動(dòng)追蹤目標(biāo)方便了室外施工，增強(qiáng)了激光投射的精度，提高了工作效率，有利于激光投線儀的廣泛使用。
1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
自動(dòng)追蹤目標(biāo)激光投線儀控制系統(tǒng)主要由主控制模塊、無(wú)線電遙控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成，控制系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。
該系統(tǒng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)激光投線儀的自動(dòng)追蹤和精確定位，要求能控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并且當(dāng)達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)能及時(shí)停機(jī)，電機(jī)采用直流電動(dòng)機(jī)和四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，在目標(biāo)位置線(投線儀投的是激光線)周?chē)庞屑す鈾z測(cè)模塊，能夠檢測(cè)到激光并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，中間留有一目標(biāo)線，無(wú)檢測(cè)即無(wú)檢測(cè)信號(hào)發(fā)出，表示已達(dá)到目標(biāo)位置，檢測(cè)裝置分別控制直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行及其電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)激光線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)線時(shí)就停機(jī)，也就是檢測(cè)信號(hào)從有到無(wú)的時(shí)刻就自動(dòng)停機(jī)。檢測(cè)到的停機(jī)信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)采用無(wú)線發(fā)射給單片機(jī)。
自動(dòng)追蹤及準(zhǔn)確定位控制過(guò)程：直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)激光投線儀轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)發(fā)出激光線，當(dāng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到激光信號(hào)時(shí)，改成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電信號(hào)通過(guò)無(wú)線電遙控系統(tǒng)傳給單片機(jī)，該信號(hào)帶著電機(jī)正反轉(zhuǎn)信息，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)從有到無(wú)時(shí)，單片機(jī)接受到停機(jī)信號(hào)立即控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，停機(jī)時(shí)刻即檢測(cè)信號(hào)從有到無(wú)的時(shí)刻。如果能迅速檢測(cè)到目標(biāo)點(diǎn)并及時(shí)發(fā)射給單片機(jī)，加上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的可靠停機(jī)就能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。
(1)主控制模塊設(shè)計(jì)
主控制器采用單片機(jī)PIcl6F877A，PIcl6F87A具有40引腳，外圍區(qū)域模塊包括端口A、B、c、D、E五個(gè)輸入輸出端口模塊，三個(gè)定時(shí)器模塊，EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊，A／D轉(zhuǎn)換模塊，串行并行通信模塊等等，共15個(gè)外圍設(shè)備模塊。片內(nèi)集成了數(shù)量較多的外圍設(shè)備模塊，為了協(xié)調(diào)各模塊高效運(yùn)行，PIc同時(shí)具有豐富的中斷功能，達(dá)1 8種之多。
檢測(cè)信號(hào)由單片機(jī)通過(guò)軟件來(lái)處理，RB4～RB7這四條引腳具有電平變化中斷的功能，利用這些引腳連接無(wú)線接收器來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及停機(jī)。當(dāng)都為低電平時(shí)產(chǎn)生起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)投線儀運(yùn)轉(zhuǎn)，由低電平變高電平產(chǎn)生中斷時(shí)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，由高電平變低電平產(chǎn)生變化中斷時(shí)，則停止運(yùn)轉(zhuǎn)，即對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)后準(zhǔn)確停機(jī)。利用Rc口控制直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)。
(2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器只需要一個(gè)H橋功率放大器，原理圖如圖2所示，H功率橋由四個(gè)MOsFET構(gòu)成，直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)Q1和Q4導(dǎo)通，反轉(zhuǎn)時(shí)Q2和Q3導(dǎo)通。由于MOsFET的快速導(dǎo)通性及其續(xù)流二極管的快速續(xù)流，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制。如果需要調(diào)速可以通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生的PwM信號(hào)來(lái)控制。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電換相由PIc單片機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)可以由功率放大器來(lái)完成，也可使用專門(mén)的集成電路芯片，這里采用恒流斬波驅(qū)動(dòng)，原理如圖3所示。
當(dāng)控制脈沖為低電平時(shí)，n和T2管都不導(dǎo)通，當(dāng)控制脈沖U1為高電平時(shí)，T1和T2管開(kāi)始時(shí)都導(dǎo)通，電源向繞組供電，由于繞組電感的作用，R上的電壓逐漸升高，當(dāng)超過(guò)給定電壓U值時(shí)，比較器輸出低電平，導(dǎo)致與門(mén)也輸出低電平，T1截止，電源切斷；取樣電阻R上的電壓小于給定電壓時(shí)，比較器輸出高電平，電源又開(kāi)始向繞組供電，反復(fù)循環(huán)，直到控制脈沖變?yōu)榈�，因此控制脈沖為高電平期間，繞組兩端的電流被控制在給定值周?chē)�。由于T2每導(dǎo)通一次，Tl導(dǎo)通多次，因此Tl要使用高頻開(kāi)關(guān)管。U在這里起到設(shè)定恒流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電流 |
