毕业设计论文自动目标追踪激光发射装置系统设计含全套CAD图纸

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1、图纸，联系153893706自动目标追踪激光发射装置系统设计摘 要：近些年来激光定位技术得到了长足的发展，由于其高单色性、高方向性、相干性好，相比于其他定位手段的独特优势，已经成为定位技术方面不可或缺的工具。自动目标追踪激光发射装置在遥控小车的应用中是个很重要的环节，通过激光定位，可以得出遥控小车的位置坐标。这是遥控小车工作的前提和基础。不同的环境中存在不同的状态，即其定位误差根据环境不同而改变，所以需要对周围环境的所有影响因素进行分析，如果定位误差超过所允许的误差，必须考虑并对其进行校正。 关键词：激光；定位；步进电机 Design of Laser for Automatical Obje

2、ct Tracking System LauncherAbstract: The laser positioning technology has got considerable development in the last few years because of the high monochromaticity , high directionality, good coherence, comparing with the unique advantage to the means of other position, and has already become an indis

3、pensably tool in positioning technology. Automatic target tracking laser transmitter applicated in remote car is a very important part of laser positioning, position coordinates of remote control car can be drawn. This is the premise and foundation of a remote control car. There are different states

4、 followed by different environments, that the positioning error changes according to different environment, so all the factors influenced by the surrounding environment will be analysis. Positioning error is more than the error allowed by the system, it must be considered and corrected.Keyword: lase

5、r; position ; stepping motor1前言随着电子技术的飞速发展，激光测距技术已经被广泛的应用到民用以及军事领域。激光测距在国外经进入实用阶段。国外许多大学、研究机构和公司开展了这方面的研究工作1。 研究最早的是芬兰奥鲁大学电器工程系和芬兰技术研究中心，从20世纪70年代初至今持续了30多年，研究内容从各分系统到整机及其应用，并且与美国、俄罗斯几家著名的公司联合开展了应用研究，其产品设计工业、航天、海洋及机器人视觉等多方面。美国报道的采用脉冲测距原理的高重复率激光雷达演示系统已经实现10KHz的测频道，测程2公里，测距精度为14mm，可以对建筑物等景物清晰距离像2。目前国际

6、上激光测距系统研究的技术水平如下：Leica公司生产的莱卡测距望远镜1042，测距范围可从10m到1200m，测距精度不超过1米，重量只有900克；美国BUSHNELL公司生产的激光测距机测量范围为12m到1500m，测量精度为米；加拿大NEWCON公司生产的LRM2500CI激光测距仪最大的测程可达2500m3。国内在小型化LD激光测距仪方面的研究尚处于发展阶段。航天科工委集团八三五八所研制出测程200m，精度0.5m，数据率100Hz的激光测距机。国内中国科学院上海光机所1996年研制的半导体激光测距仪样机选用国产半导体激光器，波长为800-900nm，重复频率1kHz，测距仪测量范围10

7、-100m（无合作目标），分辨率为0.5m4。中国计量学院1999年报道了LF1系列人跟安全便携式半导体激光测距仪。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发的低价、省电、便携式的激光测距机，工作波长905nm，峰值功率10W，脉宽25ns，重复频率100Hz。无合作目标的情况下，测距范围14-1000m，测距精度小于1m。但其样机是针对民用市场的，在小型化、低功耗和抗过载等方面不能够满足特殊工作要求，并且不具备定位功能，这与激光雷达的要求有较大差距。能适用于武器系统特殊环境（高低温、低功耗、抗高过载等）的超小型激光雷达，目前尚未见国内有相关的研究报道5。1.1选题背景 目前，在激光技术不断

8、提高、对于自动化技术要求不断加深的环境下，自动目标跟踪激光发射装置以及在激光测距仪上开发出来的产品已经成为一个国家激光高科技的关键设备。世界上许多国家都在积极的进行自动目标激光发射装置的研究和开发设计。激光测距仪是激光学中的一个重要部分，大地的测量测绘、对远距离目标的精确打击，很多都是激光测距仪的应用杰作。随着科学技术的进步，激光测距技术向人眼安全、精度更高的方向发展。1.2自动目标追踪激光发射装置设计的研究意义自动目标追踪激光发射装置在遥控小车的应用中是个很重要的环节，通过激光定位，可以得出遥控小车的位置坐标。这是遥控小车工作的前提和基础。不同的环境中存在不同的状态，即其测量误差根据环境不同

9、而改变，所以需要对周围环境的所有影响因素进行分析，如果对其测量的距离构成足够大的误差，即超过系统所允许的误差，必须考虑并对其进行校正。1.2.1激光测距仪在军事领域的应用激光测距仪作为军用装备器材，发展于60年代初。经过30多年的开发、研制和装备，目前国外已经完成了“手持式、脚架式、潜望式、坦克、装甲、水面舰载、潜艇潜望、高炮、机载、机场测云、导弹和火箭发射、人造卫星、航天器载”等约十三大类400多个品种和型号7。1.2.2激光测距仪在工业领域的应用激光测距仪在工业方面主要用于冶金，化工，矿山，机械等自动化控制，可以测量距离0100m，测量精度在1mm，重复精度0.5mm，可用于高温1300度

10、以上的液体，固体，粉末等料位测量。同时可用于各种车辆，天车的定位和防撞。特别在工业大行程测量中具有很大的优势，为人类在工业方面的技术进步带来了巨大的影响8。1.2.3激光测距仪在遥控小车中的应用自动目标追踪激光发射装置在遥控小车的应用中是个很重要的环节，通过激光定位，可以得出遥控小车的位置坐标。这是遥控小车工作的前提和基础。不同的环境中存在不同的状态，即其测量误差根据环境不同而改变，所以需要对周围环境的所有影响因素进行分析，如果对其测量的距离构成足够大的误差，即超过系统所允许的误差，必须考虑并对其进行校正。1.3自动目标追踪激光发射装置的研究现状激光测距在国外已经进入实用阶段。国外许多大学、研

11、究机构和公司开展了这方面的研究工作。研究最早的是芬兰奥鲁大学电器工程系和芬兰技术研究中心，从20世纪70年代初至今持续了30多年，研究内容从各分系统到整机及其应用，并且与美国、俄罗斯几家著名的公司联合开展了应用研究，其产品设计工业、航天、海洋及机器人视觉等多方面。美国报道的采用脉冲测距原理的高重复率激光雷达演示系统已经实现10KHz的测频道，测程2公里，测距精度为14mm，可以对建筑物等景物清晰距离像。目前国际上激光测距系统研究的技术水平如下：Leica公司生产的莱卡测距望远镜1042，测距范围可从10m到1200m，测距精度不超过1米，重量只有900克；美国BUSHNELL公司生产的激光测距

12、机测量范围为12m到1500m，测量精度为米；加拿大NEWCON公司生产的LRM2500CI激光测距仪最大的测程可达2500m9。国内在小型化LD激光测距仪方面的研究尚处于发展阶段。航天科工委集团八三五八所研制出测程200m，精度0.5m，数据率100Hz的激光测距机。国内中国科学院上海光机所1996年研制的半导体激光测距仪样机选用国产半导体激光器，波长为800-900nm，重复频率1kHz，测距仪测量范围10-100m（无合作目标），分辨率为0.5m。中国计量学院1999年报道了LF1系列人跟安全便携式半导体激光测距仪。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发的低价、省电、便携式的激光测

13、距机，工作波长905nm，峰值功率10W，脉宽25ns，重复频率100Hz。无合作目标的情况下，测距范围14-1000m，测距精度小于1m。但其样机是针对民用市场的，在小型化、低功耗和抗过载等方面不能够满足特殊工作要求，并且不具备定位功能，这与激光雷达的要求有较大差距。能适用于武器系统特殊环境（高低温、低功耗、抗高过载等）的超小型激光雷达，目前尚未见国内有相关的研究报道10。2激光三点定位原理简单来说：激光是用测距来定位的，就是发射一个激光信号，然后根据发射激光的角度来确定物体和发射器的角度，从而得出物体与发射器的相对位置。 在利用激光进行定位之前，将两个发射装置以一定的距离固定在地面上，采用

14、水平检测模块内的倾角传感器检测水平回转平台与水平面的倾斜数据，送到发射装置控制器的CPU单元，由CPU单元控制发射装置上的两个水平调节电机带动丝杆旋转，从而改变底座与支撑圆盘的相对角度，使水平回转平台保持水平。试验小车移动初始，发射装置上的水平回转电机呈90旋转进行扫描，追踪移动站中的激光接收装置，便于移动站采集定位数据进行定位解算。移动站上的陀螺仪检测运动物体的角速度，编码盘用于测距，通过运算后将试验小车的行驶距离与偏转角度等信息通过无线数据传输模块传送到发射装置上，发射装置的CPU单元依据试验小车的运行信息进行预估试验小车的运行趋势，以控制水平回转电机的转动方向与速度，使水平回转平台所带激

15、光发射器实时追踪小车上的激光接收器，从而保证激光接收器可以不间断检测到发射装置的激光信号。在检测到发射装置的激光信号的情况下，移动站上的中央处理单元通过无线数传模块按一定时间间隔发送确认信号到发射装置控制器，发射装置接收到信号后，采集当时水平回转平台上激光发射器激光光束与基线之间的水平夹角，如图1所示的、，通过无线数传模块传送到移动站上的中央处理单元，使其根据两个角度信息、和已知的基线长度L三个参数计算出运动物体当时的相对位置与速度信息，对试验小车进行动态定位。综上，通过发射装置控制器的控制实现对激光发射装置的自动水平调整，自动目标追踪与自动发射采集的数据。激光三点定位原理图如图1所示。发射装

16、置2发射装置1激光接收器L（x，y）(0, 0)(L, 0)图1 激光三点动态定位原理图Fig 1 Schematic diagram of laser three-point dynamic positioning其中，L为已知的基线距离长度，、为激光发射器基准面与基线水平夹角，(0,0)为发射装置的位置坐标，定义为基点，（L，0）为发射装置2的位置坐标，（x，y）为试验小车移动到当前位置的坐标，根据L、三个参数，由公式（1）可得试验小车的位置坐标信息。 （1）本章小结：本章阐述了激光三点定位的原理。根据此原理，下面开始设计激光发射装置结构，选用元器件以及组合装配。3系统结构设计3.1整体结

17、构设计整个装置由单片机、步进电机、步进电机驱动器、无线数据传输模块、水平检测模块、电源模块、显示模块等几部分组成。利用单片机控制步进电机驱动器并带动步进电机转动和无线数据传输模块通讯；电源模块提供电源，供步进电机驱动器和其他芯片工作；无线数据传输模块用于小车进行无线通讯。结构框图如图2所示。电源模块键 盘步进电机水平检测模块显示模块无线数据传输模块单 片 机步进电机驱动器图2 系统结构框图Fig 2 Block diagram of the system根据激光发射装置工作原理（第三部分已经做了阐述），设计结构，绘制结构示意图，如图3所示。 1-水平检测模块，2-激光发射器，3-水平回转电机，

18、4-水平调节电机，5-支撑圆板，6-水平调节丝杆，7-可调三角架，8-底座，9-连接杆，10-水平回转平台图3 系统结构示意图Fig 3 Schematic diagram of the system整个系统固定在高度可调的三角架上，激光发射器安装在水平转动平台上，水平转动平台通过水平回转电机的带动可以在水平面上来回转动，而水平回转电机自带的水平回转角度测量模块可以测量水平回转角度，用于计算激光接收器所在的载体试验小车的位置坐标。水平回转电机、水平调节电机与支撑圆板固接，支撑圆板和底座是通过一根连接杆和二根丝杆连接的，三根杆分布在以圆板的圆心为中心的等边三角形的三个顶点上，其中连接杆下端和底座

19、固接，上端和支撑圆板铰接，丝杆下端与底座通过螺纹连接，上端与水平调节电机的轴固接。控制部分的水平回转电机和水平调节电机，是通过高精度步进电机和单片机实施控制的。各个部分作用如下：(1) 水平检测模块：检测激光发射装置是否水平，已发射符合要求的水平激光。(2) 激光发射器：发射激光，以便激光接收器接收后实现定位。(3) 水平回转电机：带动水平回转平台转动，实现发射不同角度的激光。(4) 水平调节电机：带动丝杆旋转。(5) 支撑圆板：用来支撑水平调节电机和水平回转电机。(6) 水平调节丝杆：用来调节激光发射器的水平。(7) 可调三脚架：可调节激光发射装置水平与高度。(8) 底座：安放其他器件装置。

20、(9) 连接杆：连接底座和支撑圆板。(10) 水平回转平台：安装水平检测模块和激光发射器的回转平台。将各个部件进行组合装配，做出实物，如图4所示。图4 激光发射装置实物图Fig 4 Kind of laser launcher3.2激光发射器的选用 本设计采用型号为Crystalaser 635n的激光发射器。 Crystalaser 635n 发出的激光具有高方向性、高单色性、相干性好等特点。 Crystalaser 635n 发出的激光方向性极好，在传播中始终像一条笔直的线，不易发散，光强也可以保证。一束激光射出20千米远，光斑只有杯口那么大，就是发射到38万千米外的月球上，光圈直径也不过

21、2千米，在地球上看去，只是一个明亮的红点。因此方向性极好，光非常集中，其光束的发散角比探照灯小几千倍。 Crystalaser 635n 发出的激光与普通光就本质来说，都是电磁波，它们的传播速度都是每秒30万公里。此外，它还有着自己独特的物理性质、单色性极好，激光的波长非常一致，它一束光中波长的差别只有千万分之一埃甚至更小，是一种单色性极好的且亮度极高的光波。 此外，Crystalaser 635nm 红色连续激光器具有高功能稳定性、低噪音，可以在低功耗的条件下提高激光器的输出功率，并保持激光器的结构紧凑。 目前，工程应用和实验研究常用的有红色和绿色激光，与其他颜色激光相比，Crystalas

22、er 635nm 红色连续激光器具有以下优异性能：比较容易做，波长为635nm，有成熟的技术，还有成熟的半导体工艺材料。而绿色的激光波长为532nm，目前这个波段的半导体激光技术不是很成熟，所以绿色激光价格贵，至于蓝色激光，有低功率的成品，但价格相对来讲较贵，黄色的就更加昂贵。所以技术成熟、价格低廉的良好等优点是红色激光广泛应用在各个领域中。 3.3步进电机的选用3.3.1 概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方

23、向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机作为执行元件，是机电一体的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。3.3.2工作原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制

24、角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。3.3.3一些基本参数 （1）电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8（表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 通常步进电机步距角的一般计算按下式计算。 =360/（

25、ZmK） 式中 步进电机的步距角； Z转子齿数； m步进电动机的相数； K控制系数，是拍数与相数的比例系数 （2）步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。（3）保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时

26、的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。3.3.4驱动控制系统组成使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统。（1）脉冲信号的产生 脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。（2）功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机是在一定的转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流

27、越大电机力矩越大，要达到平均电流这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。（3）细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。3.3.5步进电机的选用本设计选用型号为57BYG350B的三相混合式步进电机。57BYG350B的两相混合式步进电机的具体参数如下：步距角精度为5%，轴向间隙为0.10.3

28、mm，径向跳动为0.02mm，绝缘电阻为100M，绝缘强度为500V AC 1min，环境温度为2050，温升为75K Max，绝缘等级为B，相数为3，相电流为5.6A，驱动器电源输入为DC40V5A，保持转矩为0.9Nm，转动惯量为2.22g cm2，机身长为53.5mm，重量为0.75kg。细分驱动器型号为Microstep MSa-3H057M。MSa-3H057M驱动器是北京斯达为不控制技术有限公司利用伺服技术最新研发出的高性能步进电机驱动器，矩频曲线平滑全正弦波输出，明显抑制电机震动和噪音，发热量是其他驱动器的1/5，提高电机性能延长使用寿命，可配合国内外各种品牌的相应型号电机进行使

29、用。该系列驱动器独有自测试运行功能，在无外界脉冲信号是依然可以检测驱动器工作是否正常。28种细分最大细分数60000步可满足客户的更高需求。根据各地使用者的反映驱动器还增加了抗雷击浪涌保护设计，抗等离子干扰设计。 它的特点包括：具有过温保护、过流保护、欠压保护功能；抗等离子干扰，抗雷击浪涌保护设计；28种细分最大步数60000步/周；低速防抖、低发热量、低噪音；输出电流设定、单/双脉冲设定；自测试运行、自动半流功能；相位记忆功能等。所以可广泛的应用于雕刻机、打标机、贴标机、切字机、焊接机、切割机、绘图仪、微型机床、机器人、精密设备等领域。适合于低震动、低噪音、高速度要求的客户使用，且稳定可靠价

30、格低廉。使用于各种小型自动化设备。MSa-3H057M型驱动器，主要用于驱动57 型、相电流为5.2A 的三相混合式电机。其运行步数(细分数)达到28 种，最大步数6万，通过拨位开关的第1-5位来设定步数。具有单双脉冲方式，自测试功能，相位记忆功能，自动半电流功能。本驱动器可以输出的最大电流为5.2A(峰值)，可以很方的通过拨位开关的第7-10 位来设定你需要的输出电流(可以设定16 档电流，设定分辨率0.3A)。本驱动器为直流供电，电压不超过DC36V，建议使用开关电源供电。3.4.单片机的选用3.4.1概述 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理

31、器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，

32、单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。3.4.2单片机的选用本设计选用型号为STC12C5A60S2的单片机。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专业复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。 STC12C5A60S2的单片机具有如下特点（1） 增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。（2）工作电

33、压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V（3V单片机）。（3）工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0420MHz。（4）用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节等。（5）片上集成1280字节RAM。（6）通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA。（7）ISP

34、（在系统可编程/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。（8）有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)。（9）看门狗。（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）。（11）外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%。（12）时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1用户在下载用户程序时，可选择

35、是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz15.5MHz 3.3V单片机为： 8MHz12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。（13）共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。（14）2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟。（15）外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支

36、持上升沿中断的PCA模，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)。（16） PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）也可用来当2路D/A使用也可用来再实现2个定时器也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。（17）A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)。（18）通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12

37、系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。（19）STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)。（20）工作温度范围：-40-+85(工业级)/0-75(商业级)。（21）封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48I/0口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。3.5 本章小结 完成激光发射装置的初始设计，元器件的选用以及

38、组合装配，做成实体，基本达到设计要求。但也经历了一些波折。虽然经历诸多困难，但在大家的努力下，终于做出了激光发射装置实体。下面谈一下主要元器件激光发射器、步进电机和单片机的选用。4 系统硬件软件设计 整个装置由单片机、步进电机、步进电机驱动器、无线数据传输模块、水平检测模块、电源模块、显示模块等几部分组成。利用单片机控制激光发射工作和无线数据传输模块通讯，并依据步进电机进角解算激光偏移转角数据；电源模块分别提供24V和5V电源，步进电机驱动器和其他芯片正常工作；步进电机驱动器进一步控制步进电机转动，追踪激光接收器，使单片机可根据记录的步进电机进角，得到前文中所提到的激光偏转角；无线数据传输模块

39、用于与小车进行无线通讯，接收小车传送过来的激光接收器接收到的激光信号的确认信息，是系统可以实时发送激光定位解算所需的激光偏转角信息到小车，实现小车实时位置坐标解算。4.1 系统硬件设计 系统所选用的单片机型号为STC12C5A60S2，它具有双串口，主要控制步进电机驱动器驱动步进电机带动激光发射平台旋转，追踪小车上的激光接收器，并依据步进电机步进角解算激光偏转角数据，同时通过无线数据传输模块与小车进行通讯，其系统电路原理图如图5所示。图5 系统电路原理图Fig 5 Principle diagram of the system如图5所示,单片机控制电路采用按键S1控制发射装置的启动与停止，S2

40、为备用自动对准控制按键，由发光二极管D1进行指示；因激光发射装置水平回转平台所用步进电机驱动器型号为MSa-3H057M，其最大细分数为300，最大步数为6万步，因此其步进角度为0.006度，故电路设计中采用6个LED数码管对由步进电机步进角解算的激光偏转角度进行显示，显示精度为0.001度，单片机的P2.0P2.3用于控制LED数码管的位选，P0.0P0.7用于控制数码管段选；之所以采用双串口单片机，是因为除了无线数据传输模块需占用一个串口用于与定位部分进行通信，还需预留一个串口用于之后的水平检测模块扩展。4.2系统软件设计 在调试好硬件电路后，我们着手于开发软件。4.2.1水平调节电机的控

41、制程序 通过对水平调节电机的控制，实现系统自动水平调节，防止激光倾斜导致脱靶，保证了激光发射器发出的激光能够射到小车的激光接收器上，水平调节电机的控制程序流程图如图6所示。图6 水平调节电机的控制程序流程图Fig 6 Flow chart of adjust the level of motor control program4.2.2水平回转电机的控制程序 通过对水平回转电机的控制，实现带动激光发射器自动转动并追踪目标小车，水平回转电机的控制程序流程图如图7所示。图7 水平回转电机的控制程序流程图Fig 7 Flow chart of level gyration electric moto

42、r4.2.3数据采集发送的控制程序 通过单片机对系统数据的采集发送，实现自动将数据采集并通过无线数据传输模块发送小车的接收器上，数据采集发送的控制程序流程图如图8所示。图8 数据采集发送的控制程序流程图Fig 8 Flow chart of procedures for collecting and sending the data4.3 本章小结 完成了对激光发射装置的硬件软件设计。实现了对激光发射装置的自动水平调整，自动目标追踪与自动发射采集的数据。 至此，激光发射装置的设计均已完毕，下面是对小车的算法研究、误差分析以及实际实验和结果。5 激光追踪算法5.1激光追踪算法为保证试验小车上的激

43、光接收器可以不间断检测到发射装置的激光信号，发射装置的CPU单元依据试验小车的位置信息、速度信息及运动方向等数据控制水平回转电机的转动方向与速度，带动激光发射器转动，使其可以跟踪试验小车上的激光接收器。试验小车为前轮驱动型，前轮驱动并可转向，后轮为两个随动轮，其运动模型如图9所示。XY0A图9 试验小车运动学模型Fig 9 Kinematic model of test car其中，A点为试验小车后轮中心点，其坐标为（x0, y0）；为试验小车的横摆角；为试验小车前轮偏转角；为试验小车的前轮驱动速度。根据试验小车的运动模型，得到小车运动的数学模型为： P= （2）根据图1所示的激光三点动态定位

44、原理，可知： （3）试验小车行驶时间T后，通过无线数传模块将试验小车的运动信息反馈到发射装置控制器，两个发射装置控制器的CPU单元分别控制激光发射器的水平回转电机，使水平回转平台带动激光发射器分别转动 ，角度后，追踪上试验小车上的激光接收器，从而对试验小车进行绝对定位，具体算法为： （4）5.2单片机运算误差分析为分析激光追踪算法的运算误差，在Visual Basic环境下对激光追踪算法进行运算分析，程序流程如图10所示。开始赋值X_now=10,Y_now=10输入采样周期Chg_T、行驶速度V、两发射装置距离L计算Alfa,Betai=100？创建输出文件给出姿态角和方位角：Gama =

45、Sin(2 * i + 0.314)Theta = Cos(2.3 * i - 0.628)计算X_forecase,Y_forecase计算X_,Y_将X_forecase,Y_forecase值赋给X_now,Y_nowNY将X_forecase,Y_forecase和X_,Y_写入创建的文件中结束主要变量定义：当前坐标：X_now,Y_now Double型预测坐标：X_forecase,Y_forecase Double型实际坐标：X_,Y_ Single 型主站与两发射装置的角：Alfa,Beta Double 型姿态角和方位角：Gama,Theta Double 型两发射装置距离：

46、L Single 型 速度：V Single 型采样周期:Chg_T Double 型图10激光追踪算法仿真程序流程图Fig 10 Program flow chart of simulation with laser tracking algorithm运行程序，根据实际工作环境及采样频率在程序界面上输入采样周期、试验小车速度和两发射装置距离，进行计算分析，如图11所示。图11 程序界面图Fig 11 Program interface diagram在所创建的输出文件中，由输出的数据得到如图12所示的x方向运算误差和图5.5所示的y方向运算误差曲线图。采样次数误差（cm）图 12 x方向运

47、算误差图Fig 12 Error diagram of x direction of operation采样次数误差（cm）图13 y方向运算误差图Fig 13 Error diagram of y direction of operation5.3本章小结 本章对激光追踪算法和单片机误差进行分析，由曲线图可知，在实际使用中，单片机运算带来的误差较小，可以较好的进行激光追踪。6实验验证与结果 为了测试激光三点定位系统的可行性及其定位精度，本设计进行了相应的静态定位实验。6.1试验方案激光三点定位试验在修业广场上进行，将两个激光发射装置固定在两个位置A、B上并调平后，利用皮尺测量A、B两点的距离

48、，得到激光三点定位试验中的L值，输入单片机中；将安装移动站的试验小车放置在试验场地上随机移动，进行该测量点C点的位置坐标测量。理论数据测量而获得，因移动站上激光接收器所在位置为C点，则分别测量出AC、BC的直线距离LAC、LBC，以A点为坐标原点（0，0），通过公式： （5）得到实际坐标（x，y）。再与单片机采集并解析的数据进行比较并进行误差分析。6.2 静态三点定位实验数据试验数据见表1。其中A、B两点的距离L=1002cm，激光定位数据均是多次采集求平均。表1 激光三点静态定位试验数据表Table 1 Data table of three-point static laser exper

49、iment组数LAC（cm）LBC（cm）实际x（cm）实际y（cm）采集x （cm）采集y （cm）x（cm）y（cm）1885176876.37123.26875.45121.820.921.442720315710.17118.57708.67115.131.53.443654381642.00124.73642.23123.07-0.231.664522512506.16127.62505.11125.341.052.285378658356.25126.37352.55126.083.70.296229824188.36130.24190.02129.36-1.660.8871389

50、8130.28134.6430.04133.170.241.478405981102.63 391.78 103.45388.18 -0.823.69459902200.14413.07 199.70408.800.444.2710523813307.67422.93 306.21420.421.462.5111550812322.93445.21 320.69442.192.243.0212685710483.60485.14 480.08483.403.521.7413649745434.22482.34 433.24479.820.982.5214510928201.06468.70 2

51、00.24464.330.824.37154841008110.88471.13 113.82467.59-2.943.5416482108628.41481.16 28.66478.04-0.253.1217620115230.59619.24 29.89617.490.71.7518695983259.85644.60 258.65642.671.21.9319802819487.25637.02 488.19634.34-0.942.6820902753624.05651.28 621.15649.922.91.3621814121397.42808.15100.24805.05-2.8

52、23.12210581162385.79985.15386.45989.71-0.66-4.562314561187855.771177.96854.021173.581.754.382414791373651.85 1327.60 650.461331.131.39-3.532514951487512.90 1404.26 513.581409.24-0.68-4.982615551650349.07 1515.31 351.521512.15-2.453.162716911885154.82 1683.90 154.071681.290.752.612818681975295.81 184

53、4.43 294.171850.561.64-6.132921232088574.55 2043.78 572.692039.821.863.963023972277780.88 2266.24 779.182270.581.7-4.343126082432943.63 2431.30 942.822436.810.81-5.513227192605803.86 2597.45 801.542594.522.322.933328232779624.00 2753.17 624.072745.37-0.077.83429983012459.01 2962.65 457.852954.651.16

54、83531343214247.59 3124.20 245.863118.521.735.683632543366131.02 3251.36 132.793242.93-1.778.43373342347258.97 3341.48 58.053350.460.92-8.983834993590179.09 3494.41 175.673488.463.425.953937003741348.76 3683.53 349.573679.25-0.814.284037983796508.58 3763.79 509.693772.17-1.11-8.384139723910744.85 390

55、1.54 742.313895.342.546.24241164019894.76 4017.57 897.484007.61-2.729.96表中数据制成误差图，将更加直观。图14为x 方向实际误差图 此表单位为 cm.图14 x方向实际误差图Fig 14 Error diagram of x direction of actual 图15为y 方向实际误差图 此表单位为cm.图15 y 方向实际误差图Fig 15 Error diagram of y direction of actual 由静态定位实验数据表格及误差图可以看出，静态定位误差较小，在40m的测量范围内，最大误差未超过10c

56、m。而且误差在y方向成递增趋势，说明小车在行驶距离越来越远，误差就越大。分析原因主要是激光扫描的摆角误差。6.3本章小结 本章对系统进行了相应的静态定位实验，得到数据并制作误差图。可以看出误差不是很大，但是在后续研究过程中，还是应该从软件方面进一步降低误差。7 结论在历时半年的毕业设计完成后，我对本次毕业设计还有一个小小的总结。本年中我以浓厚的兴趣为基础，开始了包括单片机、无线电、数字电路、模拟电路、运算放大器等知识的系统学习，学会了包括ProtelDXP,EWB等大型的电子电路设计模拟软件，能够使用曝光制版机、雕刻机、编程器、仿真机、示波器、音频发生器等与电子设计制作相关的仪器，并在电路板设

57、计制作、电路的检测等方面积累了较多的经验。在实验中验证书本上的理论知识，并作了许多扩展，终于将我们的实验中实现小车的激光定位，尽管装置的精确度还没有达到理想的效果，但是从我们设计初衷出发，我们已经完成了设计的既定目标。实验的过程就是一个理论与实际相互结合的过程。在试验中，我们曾经失败过很多次，失败了我们并不气馁，找原因再实验，自始至终我们能够以饱满的热情投入其中并找到乐趣，这就是我半年毕业设计最大的满足！自动目标激光发射装置已经成型，但是在校正水平精度和与小车相结合的环节还有待提高，相信我们能够在这条道路上越走越远，逐步提高机械的性能。参考文献1 高林奎.激光测距M.北京:人民铁道出版社,19

58、77.10-20.2 李全利,仲伟峰，徐军.单片机原理及应用M.北京：清华大学出版社.2006.55-65.3 谭浩强,张基温.C语言程序设计教程M.北京：高等教育出版社.1991.12-17.4 褚贵福，孙复兴，戴永江.光子计数法及其在微脉冲激光测距中的应用J.光电子激光，2001，12(8).5 周天文，黄进民.我国脉冲激光测距技术的发展J.激光集锦，2002，12(1).6 孙恒，陈作模.机械原理M.北京：高等教育出版社.2001:124-130.7 杨文龙.单片机原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2000:159-163.8 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社.第

59、四版，2000:254-267.9 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术M.北京：国防工业出版社，2001:301-303.10 李鸿.单片机原理及其运用M.长沙：湖南大学出版社，1998,48-57.11 戴永.微机控制技术M.长沙：湖南大学出版社，2002:201-223.12 杨可桢.机械设计原理及其运用M.北京：高等教育出版社，1997:49-54.13 王孙安.机械电子工程M.北京：科学出版社，1996:88-97.14 郑堤.机电一体化设计基础M.北京：机械工业出版社，2000,207-212.15 胡泓.机电一体化原理及应用M.北京：国防工业出版社，2002,159-167.16

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