自動追蹤目標(biāo)激光投線儀控制系統(tǒng)設(shè)計
翁飛兵，彭春輝
(國防科技大學(xué)，湖南氏沙410073)
摘要：為激光投線儀設(shè)計了一套控制系統(tǒng)，使得投線儀能夠自動追蹤目標(biāo)。主控制器件采用PIc系列單片機，接受無線電遙控信號來控制投線儀的運動，采用直流電動機和步進電動機混合驅(qū)動，從而能準(zhǔn)確定位所投射的激光線．
O引 言
目前市場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調(diào)整水平線，但是只能靠手動來投射垂直激光線，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)用越來越廣泛，對激光線投射精度要求越來越高，室外施工的不便，手動越來越不能滿足人們的需求，我們設(shè)計和開發(fā)了基于PIc單片機的自動追蹤目標(biāo)激光投線儀的控制系統(tǒng)。自動追蹤目標(biāo)方便了室外施工，增強了激光投射的精度，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
自動追蹤目標(biāo)激光投線儀控制系統(tǒng)主要由主控制模塊、無線電遙控模塊、電機驅(qū)動模塊等組成，控制系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。
該系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)激光投線儀的自動追蹤和精確定位，要求能控制電機的正反轉(zhuǎn)，并且當(dāng)達(dá)到目標(biāo)位置時能及時停機，電機采用直流電動機和四相步進電動機混合驅(qū)動，在目標(biāo)位置線(投線儀投的是激光線)周圍放有激光檢測模塊，能夠檢測到激光并轉(zhuǎn)化成電信號，中間留有一目標(biāo)線，無檢測即無檢測信號發(fā)出，表示已達(dá)到目標(biāo)位置，檢測裝置分別控制直流電動機和步進電動機運行及其電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)激光線對準(zhǔn)目標(biāo)線時就停機，也就是檢測信號從有到無的時刻就自動停機。檢測到的停機信號、正反轉(zhuǎn)信號采用無線發(fā)射給單片機。
自動追蹤及準(zhǔn)確定位控制過程：直流電動機帶動激光投線儀轉(zhuǎn)動，同時發(fā)出激光線，當(dāng)檢測裝置檢測到激光信號時，改成步進電動機運行，電信號通過無線電遙控系統(tǒng)傳給單片機，該信號帶著電機正反轉(zhuǎn)信息，當(dāng)檢測信號從有到無時，單片機接受到停機信號立即控制步進電動機停止運行，停機時刻即檢測信號從有到無的時刻。如果能迅速檢測到目標(biāo)點并及時發(fā)射給單片機，加上步進電動機的可靠停機就能實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。
(1)主控制模塊設(shè)計
主控制器采用單片機PIcl6F877A，PIcl6F87A具有40引腳，外圍區(qū)域模塊包括端口A、B、c、D、E五個輸入輸出端口模塊，三個定時器模塊，EEPROM數(shù)據(jù)存儲器模塊，A／D轉(zhuǎn)換模塊，串行并行通信模塊等等，共15個外圍設(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)各模塊高效運行，PIc同時具有豐富的中斷功能，達(dá)1 8種之多。
檢測信號由單片機通過軟件來處理，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線接收器來控制直流電動機、步進電動機的起動、正反轉(zhuǎn)及停機。當(dāng)都為低電平時產(chǎn)生起動直流電動機帶動投線儀運轉(zhuǎn)，由低電平變高電平產(chǎn)生中斷時，則步進電動機運轉(zhuǎn)，由高電平變低電平產(chǎn)生變化中斷時，則停止運轉(zhuǎn)，即對準(zhǔn)目標(biāo)后準(zhǔn)確停機。利用Rc口控制直流電動機正反轉(zhuǎn)。
(2)電機驅(qū)動模塊
電機驅(qū)動模塊包括直流電動機驅(qū)動模塊和步進電動機驅(qū)動模塊。直流電動機驅(qū)動器只需要一個H橋功率放大器，原理圖如圖2所示，H功率橋由四個MOsFET構(gòu)成，直流電動機正轉(zhuǎn)時Q1和Q4導(dǎo)通，反轉(zhuǎn)時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，可以實現(xiàn)對直流電動機的控制。如果需要調(diào)速可以通過單片機產(chǎn)生的PwM信號來控制。
步進電動機的通電換相由PIc單片機軟件來實現(xiàn)，驅(qū)動可以由功率放大器來完成，也可使用專門的集成電路芯片，這里采用恒流斬波驅(qū)動，原理如圖3所示。
當(dāng)控制脈沖為低電平時，n和T2管都不導(dǎo)通，當(dāng)控制脈沖U1為高電平時，T1和T2管開始時都導(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)超過給定電壓U值時，比較器輸出低電平，導(dǎo)致與門也輸出低電平，T1截止，電源切斷；取樣電阻R上的電壓小于給定電壓時，比較器輸出高電平，電源又開始向繞組供電，反復(fù)循環(huán)，直到控制脈沖變?yōu)榈停虼丝刂泼}沖為高電平期間，繞組兩端的電流被控制在給定值周圍。由于T2每導(dǎo)通一次，Tl導(dǎo)通多次，因此Tl要使用高頻開關(guān)管。U在這里起到設(shè)定恒流步進電動機繞組電流 |
