计算机控制激光系统

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,Edit your company slogan,*,计算机控制激光扫描系统设计,060411301,桑蒙,大纲,实际意义及激光扫描中步进电机及计算机现状,1,激光二维扫描系统的步进电机控制研究,激光二维扫描系统的计算机接口原理与研究,二维扫描系统的实现及结论,2,3,4,意义,自激光在,1960,年问世以来，由于其诸多的优越性能,:,单色性好，方向性强，能量高等优点，使其广泛的应用于各种部门中。早期的激光主要应用于军事，工业等领域，对相应部门的发展起到了巨大的作用。随着科学技术的吃速发展，尤其是在近年才逐渐发展井成熟起来的计算机技术，慢慢的融入到各种部门，激光与光电子技术应用也得到了促进和发展，给社会生活和工农业生产带来了巨大的社会和经济效益。,1,1,扫描系统中步进电机应用现状,1.,直线电机。该电机的优点是体积小，性能优良，经过长距离的行程后，仍能保证误差在极小的范围内。但是由于其价格较昂贵，而且与反射装置或者振镜的连接需要通过机械装置来进行，故难以保证它的精度。,2.,压电陶瓷微马达。该马达是依靠定子上的压电陶瓷片将输入的电能转化成机械力来驱动转子的。因此，它不产生磁场，具有自锁功能，在低速时能提供大力矩和高精度的角分辨率。它体积小且价格要比直线电机便宜得多，但是该种类的电机有累积误差，重复性和精度较低。,3.,步进电机。步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或者线位移的电磁机械装置，也是一种能把输出机械位移增量和输入数字电压脉冲对应的驱动器件。每外加一个脉冲信号，它就运动一步，故称之为步进电机。,1,2,激光扫描中的微型计算机应用现状,计算机机由于其功能强大，性能稳定，安装调试方便得到了十分广泛的应用。不仅在商业通讯，家庭等领域成为主流，在工业领域也作为控制的主体成为系统的核心。控制技术与计算机的相结合，进一步加强了计算机在各种行业的应用范围和所占有的地位。对于一个中小型的控制系统来说，需要实现的功能有限，大致包括数据的采集，传输，处理等基本的控制过程，但是对于一个大型的控制系统来说，不仅要包含上述的功能，还要有许多其他的功能，才能满足需要。在计算机图形技术融入生产部门后，这样的数据交换和处理变得相对简单和轻松起来。,第二章 激光二维扫描系统的步进电机控制研究,在激光二维扫描系统中，步进电机是作为扫描的执行元件来进行工作的。在工作的过程中，步进电机将根据控制程序的指令，作出响应的动作，完成扫描。本章将首先介绍步进电机的控制原理以及在本系统中的应用。,2,1,扫描系统中步进电机的简介,步进电机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移或者线位移的执行元件。每外加一个脉冲信号，它就运动一步，故称之为步进电机。,、永磁式步进电机,永磁式步进电机的转子由一对或者多对极的星形永久磁铁组成，定子极上相应有两相或者多相控制绕组。当相绕组通电后，定子和转子磁极之间将产生吸引力和相斥力。转子在这些磁场力的作用下产生转动。这类电机的效率高，造价便宜。一个典型的永磁式步进电机的结构如右图,2. 1,所示。,图,2. 1,永磁步进电机结构图,变磁阻式步进电机,变磁阻式步进电机,(,也称反映式,),的定子和转子均由铁芯织成。定子有若干对磁极，磁极上有控制绕组。在转子的圆柱面上有均匀分布的小齿。依靠磁场吸力的作用，转子向定子与转子之间磁阻最小的位置转动。,一个典型的变磁阻式步进电机结构如图,2. 2,所示。,2.1.3.,混合式步进电机,混合式步进电机的定子结构与变磁阻式步进电机很相似，磁极上有控制绕组。这种步进电机的步距角在,-,之间。混合式步进电机组合了永磁式和变磁阻式步进电机的特点。,图,2. 3,混合式步进电机结构图,2,2,扫描系统中步进电机的控制原理及方法,在激光二维扫描系统中，步进电机是主要的执行元件，关系到扫描质量的决定性因素。步进电机的控制主要体现在对步进电机步距角的细分。,步进电机细分驱动技术是在,70,年代中期发展起来的可以显著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。实践证明 ，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性。,步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。,2,2,1,步进电机控制电路及实现,为了对步进电机的相电流进行控制，从而达到细分步进电机步距角的目的，人们曾设计了很多种步进电机的细分驱动电路。目前，步进电机细分驱动电路大多数都采用单片微机控制，它们的构成框图如,2. 4,所示。,图,2.4,步进电机细分驱动电路图,在本系统中，对步进电机的控制是通过计算机的并行口实现的。采用软硬件结合的办法，通过程序的运行行，实现步进电机按照预期的日标旋转,步进电机与计算机的接口,在本系统中，是利用计算机的并行口实现的,:,由于步进电机的驱动器需要,5V,电压，,815mA,的驱动电流，而计算机的输出正好能够满足上述要求，所以只要将二者通过接口连接上即可。接线按如右图,2.5,所示。,在右图,2.5,中,.,用到了计算机并行口中,2, 9,14, 16,脚。其中,2,和,9,脚是发出,CP,信号的脚，,l4,和,16,脚是发出,DIR,信号 的。由于一个步进电机只需要一个脉冲信号和一个换向信号，所以在上图中并没有画出另一个步进电机的脉冲和换向信号。,图,2. 5,步进电机与计算机接口电路示意图,第三章 激光二维扫描系统的计算机接口原理与研究,扫描系统是通过对步进电机的控制，使步进电机按照要求运转，从而实现的。步进电机的控制需要三个参数,:1,启动电机工作与停止电机工作的信号,;2,步进电机的换向信号,;3,电机移动距离与运动快慢的控制。计算机对外设的控制实际上是实现计算机与外部设备之间的通讯，这种通讯既需要开发硬件设备，在计算机与外设之间架设一座桥梁，又需要由软件制定通讯协议加以管理和协调。在本系统中，计算机与外设之间的通讯是通过并行口实现的。为此，本章首先对计算机并行口作一个简单的介绍，然后着重研究激光二维扫描系统与计算机并行口之间通讯的实现。,3,1,激光二维扫描系统的计算机接口的原理,本系统所有计算，控制命令的发送等任务都是由计算机完成的。为此，必须制作出计算机与外设的接口，这个接口是通过计算机的并行口实现的。而计算机接口技术就是采用硬件与软件相结合的办法，研究计算机如何与外部设备进行最佳祸合与匹配，以便在,CPU,与外部设备之间实现高效、可靠的交换信息的一种技术。,接口作为,CPU,与,I/O,设备之间的信息中转站，其基本结构和连接图如图,3.1,所示。接口电路同,CPU,交换的信息有三类,:,数据信息、状态信息和控制信息。,图,3.1,接口电路的基本结构及其连接,3,2,激光二维扫描系统与计算机接口的连接,激光二维扫描系统与计算机借助一个,25,芯,D,型线，将激光二扫描系统与计算机连接起来。在图,3.2,中，,D1, D3,是红外发光管，,D2, D4,是接收管。计算机并行口中，用到了几个脚，它们被分配了不同的任务。其中，脚,2, 5, 6,9,是数据端口，在本系统中是用来发送,CP,脉冲信号或者起控制用的,;,脚,14,和,16,是控制端口，在本系统中起控制步进电机换向作用的。脚,10,和,12,是状态端口，这两个脚是不能用来输出信号的，但是可以输入信号。因此在本系统中，利用它们作为接收红外发光管和接收管所发来的信号。实现数据，控制和状态信号的有机结合，同时又能协调。具体的连接示意图如,3.2,所示,:,图,3.2,二维扫描系统与计算机并行口的接口电路示意图,上图,3.2,的接口电路的工作过程如下,:,首先由控制程序发出,CP,脉冲信号的，这是通过并行口的,2,脚和,9,脚实现的，在这两个脚上，会连续的产生,+5V,的高电平和,OV,的低电平，并且周而复始的进行着。这个,CP,脉冲信号通过一个开集门芯片,74LS07,传送到步进电机驱动器上，控制步进电机随着,CP,脉冲信号的发出，一步步的运行。在需要换向的位置或者时刻上，控制程序首先要保持,CP,脉冲信号维持在十,5V,的高电平上，井且持续一段时间，然后发出换向信号。这个信号是通过并行口的,14,和,16,脚发出的。同样换问信号也要经过,74LS07,芯片，送到步进电机驱动器上。,红外发光管和接收管作用是检测步进电机初始位置。它们的信号由三态门芯片,74LS125,传输。这样作的目的是实现智能控制。三态门的控制端是由并行口的,5,脚和,6,脚分别控制的。只有,5,脚和,6,脚发出低电平时，才能使三态门工作。其他时间,5,脚和,6,脚始终保持着,+5V,的高电平状态，禁止三态门工作保证程序运行的平稳性。,第四章 二维扫描系统的实现,激光二维扫描系统是由计算机控制，配合以外围电路实现的。在本系统中，计算机是执行系统的核心，步进电机是主要的执行单元，加上稳压电源，定位电路，扫描控制电路，共同作用完成扫描。作为一个完整的扫描系统，其框图如右,4.1:,图,4. 1,扫描系统框图,4,1,稳压电源的设计,任何电路的构成，都少不了电源。在电系统中，电源性能的优劣直接影响到系统功能的优劣和稳定，精度等一系列问题。在本系统中，需要单独的一个,+5V,的直流电压，用以驱动若干元器件如,74LS07, 74LS125,等芯片，同时系统中其它部分如光电定位电路，也需要,+5V,的直流电压。基于这样的思想，所设计的稳压电源如下,4.2,所示,:,其中，四个二极管是一个整流桥的四个端脚，该整流桥的最大整流电流为,2A,输入电压为,20V.,输出电压为,22V; C1. C2. C3. C4,为四个电容，其中,C2,和,C4,为电解电容。,C1,的耐压值为,15V,，电容为,500 u F: C2,的耐压值为,15V,，其电容为,0. 22u F; C3,的耐压值为,l0V,，电容为,1000u F,；,C4,的耐压值为,10V,电容为,0. 47 uf,。稳压管采用,7805,要是由于其优异的性能价格比，同时能够满足本系统对直流稳压的需要。,图,4. 2 +5V,稳压电源电路图,该稳压电源的原理及其器件的作用如下,:,首先通过一个变压器将,220V,的交流电压变成一个,20V,左右的交流电压，经过一个桥式整流后，变成一个,22v,的直流电压。这个,22V,的电压加在两个容值分别为,500 u F,和,0.22uF,，然后通过一个稳压管,7805.,最后通过两个容值为,1000 u F,和,0.47uF,的电容输出。在这个电路中，两个小容量的电容,C2,和,C4,的作用是减少外界的干扰，比如外界磁场、日光们等干扰，可靠，精度才能得到保证。,该稳限电源经实验验证，使电源输出更加稳定，其输出保持在,5V,左右（其误差在,0. 1V,左右,),，而且在长时间工作的条件下，也能保持其输出电压的稳定，同时能够有效的抑制外界的干扰，完全能够满足系统的需要。,4,2,光电定位,/,复位电路,在二维扫描系统中，步进电机的转动是随机的，其制动也是随机的，这样就使得步进电机在每次启动时，启动位置都时任意、不确定的。为了实现步进电机在每次启动时，都能从同一个位置开始，就需要有一个定位装置。能准确的定位步进电机，使其每一次扫描都从同一个位置开始。但是这样做使程序的运行时间大大加长，为了减少程序的运行时间，需要采取另外一种措施，那就是加上复位电路。该检测电路和定位检测电路配合就可以有效的减少扫描的检测时间，同时能够防止以外情况的发生，如人为的旋转步进电机等，更能快速，准确的确定扫描的位置。定位,/,复位电路如下,:,图,4. 3,定位,/,复位电路示意图,在上图中，,Rl, R2,和,R3,都是电阻，起限流作用。,R1=15 ,，,R2=5.1 K,R3=5M,。,D 1,为红外发光管，,D2,为接收管。输出口,1,直接输入到计算机的接口，用于检测此时该电路检测到的状态值，是使计算机能够根据此值调节相应的程序。,4,3,步进电机控制单元,在激光二维扫描系统中，步进电机是全要的执行元件，既由步进电机带动反光镜，在相应程序的控制下，按照要求及预期设想按部就班的工作。在本系统，采用与所用的,SYG-101,型步进电机配套的驱动器来进行控制。该驭动器与脉冲信号，换向信号，以及步进电机的连接示意图如下：,图,4. 4,并行口与步进电机连接图,4,4,几种几何图形扫描的研究,4,4,1,直线类图形的扫描,1,直线,对于直线的扫描，主要是确定直线段的长度、该直线段的方向,(,水平或者垂直,),，以及该直线段在水平方向上,(,或者垂直方向上,),的延伸方向。在确定这些之后，开始将所预期的上述参数传递到程序，进行扫描。框图如右,:,如右述框图所示中，最后一个判断框是用这样的方法实现的，既采用,C,语言中的一个函数,!KBHIT ( ),，该函数的意义是不按任意键。在本程序中，如果在扫描过程中，按任意键将结束程序，否则将自动使步进电机换向，重新开始扫描。这次扫描的方向和上一次的方向正好相反,.,这样，利用人眼的生理局限性，同时步进电机的转速很快，将会在屏幕上展现出一条连续的直线。,图,4. 5,直线扫描程序框图,2,五角星,步进电机的扫描是直线式的。在所有由直线构成的图形中，五角星是最具有代表性的，因此将它单独作为一个例程来扫描。其框图,4. 6,。,在这个框图中，中间的判断方框有两个组成部分。其一为步进电机换向的判断，主要是使步进电机能够自动的换向，扫描得到连续。其二是对此种扫描次数的判断,.,控制斜线的扫描次数，,避免此种扫描进入死循环，同时能保证扫描的为五角星的各个斜边,.,图,4.6,五角星扫描程序框图,结 论,本文对步进电机的原理及控制方法进行了探讨和研究，在认真分析了步进电机各种控制方法的基础上，确定了在本系统中应该采用的控制方法和策略。然后，又对计算机的并行口内部电路原理进行了分析，明确了各端口引脚的功能，归纳出应该使用的控制方法和通讯手段。在此基础上，完成了激光二维扫描系统的设计和研究。,由用户输入目标图形后，通过与人机对话，将该图形取到控制程序中。该控制程序将根据此图形的特征，发出各种控制命令，通过计算机接口输出到执行元件一步进电机上，由步进电机带动轴上的反射镜，快速的实现图形扫描。,本系统作为一种能实现扫描的系统，可以应用于各种需要扫描的场所，如各种工业上需要的定位、检测、计量、加工、勘探、军事等领域，所以本系统的应用范围是比较广泛的。,致谢,本人的本科毕业设计论文一直是在导师冯涛教授的悉心指导下进行的。冯涛教授治学态度严谨，学识渊博，为人和蔼可亲。并且在整个毕业设计过程中，冯涛教授不断对我得到的结论进行总结，并提出新的问题，使得我的毕业设计课题能够深入地进行下去，也使我接触到了许多理论和实际上的新问题，使我做了许多有益的思考。在此表示诚挚的感谢和由衷的敬意。冯涛教授在电子信息工程学方面具有丰富的实践经验，对我的实验工作给予了很多的指导和帮助，使我能够将理论中的结果与实际相结合。另外，他对待问题的严谨作风也给我留下了深刻的印象。在此表示深深的谢意。冯涛老师在实验方面经验非常丰富。尽管我是第一次做论文，难免遇到许多比较低级的问题，冯涛老师却都极其耐心地予以解答，在此表示深深的谢意。冯涛老师，您辛苦了。,Edit your company slogan,Thank You !,