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曹擎宇何振程祥乐(西南交通大学信息学院四川成都61 1756)
摘 要:为了满足坦克打靶的设计要求,经过各单元电路方案的比较论证,系统以TI单片机MSP430作为控制核心,选用收发一体的光电传感器ST188探测黑线,差速控制坦克转弯,实现坦克寻线前进,该传感器灵敏度高、重复性好且输出信号可直接接入单片机;对于关键的坦克炮筒部分,选用了反应快、转速低、转矩大、运行稳定、控制精确的减速电动机来驱动炮筒转动;通过安装在炮筒中的凸透镜将光源聚焦,用八个高灵敏度的光敏三极管接收聚焦后的光源实像以探测光源,从而使坦克能够瞄准并以激光射中光靶中心.最后,坦克完全达到了设计要求,不但完成了所有要求,还增加了光源探测状态显示、全程时间显示和射击偏差显示三个创新功能.
关键词:MSP430;光电传感器;差速控制;聚焦;光敏三极管
1.系统方案
1.1方案论证
1.1.1控制器模块
采用TI公司的MSP430,该单片机具有超低功耗及强大的处理能力,并有高性能模拟技术及丰富的片上论文范文模块,其构成系统工作稳定,且具有方便高效的开发环境.
1.1.2红外检测模块
方案一:采用分立的红外发射管和红外接收管来检测黑线,由于发射管和接收管是分立的,要准确检测黑线,必须精确调整对管角度,还需制作遮光管,在硬件制作方面较为不便,因此没有采用.
方案二:采用集红外收发为一体的光电对管ST188检测黑线,该传感器将红外接收管和发射管集为一体,固定在传感器内,不但检测可靠,而且无需另作遮光处理,易于单片机接口,故采用了该方案.
1.1.3电机驱动模块
方案一:采用MOS管驱动电机,即用MOS管搭建H桥来进行双极性PWM控制,该方法虽然可行,但自己搭建的H桥运行可靠性不好,故没有采用.
方案二:采用直流电机驱动专用芯片L298,一块L298能驱动两个直流电机,并且使用方便,运行稳定可靠,所以采用了此方案.
1.1.4炮塔旋转模块
方案一:采用步进电机控制炮塔旋转,由于其驱动电路较多,成本高,因此没有采用.
方案二:采用减速电机控制炮塔旋转,该电机反应快、转矩大、运行稳定、控制精确,非常适合用于炮塔控制,因此采用该方案.
1.1.5光源探测模块
采用光敏三极管探测光源,光敏三极管能直接将光信号转换为较大的电流信号,灵敏度高,适合对光源进行检测,故采用此方案.
1.,2系统设计
根据上述论证,我们最终确定了一套方案:以TI单片机MSP430为控制核心,采用ST188检测黑线,用一块L298来驱动两个直流电机,差速控制坦克前进和转弯,同时用一块L298驱动一个电机控制制炮塔旋转,用光敏三极管检测光源从而控制炮筒上的激光笔瞄准光靶,用两片LM2596对12V电源进行稳压,产生5V和3.3V电压,控制坦克完成规定指标. 2理论分析与计算 2.1差速控制分析 小车在行进过程中,需要根据传感器读取到的赛道信息,按照题目的要求,实现停止,转弯等功能.差速控制的原理是通过改变前轮两个轮子的速度实现转弯,如向右转动时,可以适当降低右轮的速度,加快左轮的速度实现转弯的动作.
2.2炮塔旋转控制分析
炮塔旋转控制分为两种情况:
1)在没有找到光源的情况下,按照同一个方向快速的搜索到光源.如果一圈未搜索的到,改变方向继续搜索.
2)在搜索到光源的情况下,跟踪光源.具体方法是一旦丢失光源,迅速根据丢失方向重新查找,以便能再次搜索得到光源:在没有丢失的情况下,降低电机速度,寻求更加精准的跟踪.当到达炮点之后,在精度满足要求的情况下,开始射击.
2.3传感器检测原理分析
由题目可知,赛道长度4m,靶子垂直距离赛道最远3m,则计算可知靶子距小车最远距离为5m.如果只通过光敏三极管接受光源信号,则信号太弱.如果通过在炮塔前加上一个凸透镜聚光则可提高光的强度,但是在调试过程中发现,由于凸透镜将光信号汇聚成过小的斑点,传感器很难对准光源,导致检测成果率很低.于是我们通过在传感器之前再加一个透镜,将光源稍微发散,以便于传感器对准.最终方案如图2所示.
通过不断地改进方法,使得我们的小车在行进过程中几乎不会丢失光源,而且检测精准度也得到很大的提高.
3.电路与程序设计
3.1硬件电路设计
3.1.1红外检测电路设计 由光电传感器ST188组成的红外检测电路及其原理图如附图1所示,该部分由8个光电传感器构成.当ST188对准到黑线时,由于发射出的红外线被吸收而使接收管没有接收到红外线从而输出低电平;当ST188对准白色部分时,发射出的红外线会被反射回来,接收管接收到之后会输出高电平.将8个ST188按图顺序排列,就可以检测到黑线的信息,再通过单片机将此信息直接读入,判断出车体的位置,从而得出车的转向,控制两轮速度差,进行转向.
3.1.2光源检测电路设计
如附图2所示,当光敏三极管没有被光线照射时不导通,集电极输出高电压:当接收到经透镜聚焦后的光源实像后会导通,集电极输出低电压.将此电压与设置好酌门限电压输入到电压比较器LM339,就能得到相应的高低电平,用8个光敏三极管来探测光源就可以检测炮筒是否已对准光靶中心线,并将信息反馈到单片机,控制炮塔转向.
3.1.3电机驱动电路设计
由两片L298构成的电机驱动电路如附图3,用一片L298( HANDLER)结合四2输入或非门7402驱动炮塔电机,单片机输出PWM_D信号控制电机转速,DIRECTION信号控制电机转向:另一片L298用于驱动前轮,单片机输出PWM_M1和PWM M2信号控制两个电机转速以实现差速控制.
3.2软件设计与流程图
3.2.1软件设计
本系统软件由差速控制,炮台控制两部分组成.
差速控制:通过红外传感器读取线路信息,分析小车所处的位置和方向,通过电机的差速控制小车行进的方向.调节小车的速度,满足题目设定的定点射击,动态射击等功能,并且确保小车能够快速的通过赛道.
炮台控制:这是软件控制最核心的部分,该模块由光源快速搜索,光源跟随两部分组成.
3.2.2流程图
由于本题电机控制流程较为简单,故在此省去,着重介绍炮台控制流程,流程图如图2所示.
4.结果分析
4.1测试仪表
秒表,直尺,双踪示波器DS1102E,数字万用表DT9806,电源DK09076316,信号源DG1022.
从测试结果分析可知,动态跟踪射击,因为无需停车射击,全程行驶时间明显缩短,但动态过程射击时小车的稳定性不足导致射击的准确性有明显降低,这还值得进一步改进.
参考文献
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光源控制器:keyshot教程:光源控制
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总结:该文是关于控制光源论文范文,为你的论文写作提供相关论文资料参考。
光源控制器引用文献:
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[2] 机器视觉检测光源论文
[3] 优秀材料成型及控制工程论文选题 材料成型及控制工程论文题目选什么比较好