陳 杰，夏晨林，張均峰

（蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021）

反饋是生命的核心特征。反饋過程控制著我們如何成長、如何應對壓力和挑戰(zhàn)，并調節(jié)著體溫、血壓以及膽固醇水平等身體參數(shù)。反饋機制在各種層次上都起著作用，從細胞中蛋白質的相互作用，到復雜生態(tài)系統(tǒng)中生物體之間的相互作用，都有其貢獻[1]。本文研究的自由擺激光控制系統(tǒng)正是現(xiàn)代檢測與控制技術[2]應用的典型案例。MCS-51兼容單片機作為典型早期開發(fā)產品，以其優(yōu)越的性能、成熟的技術以及高可靠性和性價比，迅速占領了工業(yè)測控和智能儀器儀表應用的主要市場，成為國內單片機應用領域的主流。步進電機因其較高的精度和可靠性廣泛應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉換裝置、數(shù)控機床、計算機外圍設備、自動記錄儀、鐘表等，另外，其在工業(yè)自動化生產線、印刷設備等中亦有應用。如采用位置檢測和速度反饋，可以方便地實現(xiàn)閉環(huán)控制，而高性能細分驅動器能夠提高步進電機控制的精度，也使得控制方法簡單靈活，便于調試。本文以下內容將詳細介紹自由擺激光追蹤系統(tǒng)的原理和設計方案，并對其應用進行了展望。

1 自由擺激光追蹤系統(tǒng)的工作原理

1.1 方案原理

自由擺激光追蹤系統(tǒng)主要由控制模塊、角度檢測模塊、電機驅動模塊、輔助顯示模塊、自由擺機械裝置五個模塊組成。在擺桿擺動過程中，由角度檢測模塊檢測其擺動角度，并將旋轉位移轉換為一連串數(shù)字脈沖信號，傳送給控制模塊?？刂颇K根據(jù)事先編寫的程序，對數(shù)字脈沖信號進行處理，并向電機驅動模塊輸出反饋信號，控制步進電機轉動對應的角度，使激光光斑始終照射在中心線上。其原理框圖如圖1所示，自由擺擺架結構如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

圖2 自由擺擺架結構

1.2 自由擺自動控制系統(tǒng)數(shù)學模型

設擺桿初始位置位于豎直方向，平板垂直于擺桿，擺桿重心距離轉動中心L，轉動中心與靶平面的水平距離為S。

（1）擺桿逆時針轉動

由圖3可知，當擺桿轉動θ時，若要激光筆精確打靶，必須使得平板轉動φ=θ+α，其中α由下式給出

為了方便單片機進行處理，我們將列出θ在0～60度之間變化時，對應的φ的值，如表1所列。

表1 擺桿右擺，電機轉動角φ與擺角θ的關系

（2）擺桿逆時針轉動

由圖4可知，當擺桿轉動θ時，若要使激光筆精確打靶，必須使得平板轉動φ=θ-α，其中α由下式給出

圖3 擺桿順時針轉動

圖4 擺桿逆時針轉動

為了方便單片機進行處理，我們將列出θ在0～60度之間變化時，對應的φ的值，如表2所列。

表2 擺桿左擺，電機轉動角φ與擺角θ的關系

在擺桿擺動過程中，根據(jù)前面分析的平板轉動控制原理及旋轉角度之間關系，根據(jù)擺桿擺角的變化，控制步進電機的旋轉，從而使激光筆光斑始終瞄準照射在靶紙的中心線上。通過實驗分析，該裝置能夠達到預期的精度要求。

2 自由擺激光追蹤系統(tǒng)的方案設計

2.1 系統(tǒng)各個模塊的方案選擇

（1）控制器模塊

控制器模塊采用MCS-51兼容高性能微處理器SST89E516RD[4]為主控制芯片。MCS-51兼容單片機處理速度可完全滿足系統(tǒng)對實時性的要求，與檢測模塊和驅動模塊接口方便，可靠性、性價比高。編程環(huán)境為 Keil μVison（C語言）[5]，可以提高可移植性、結構性及可讀性，且方便維護和修改。

（2）角度檢測模塊

角度檢測模塊采用增量式光電編碼器，型號為E50S8-200-3-1-24。主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉換電路組成。碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；檢測光柵上刻有A、B兩組與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯開1/4節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號在A、B兩相互差90°電度角，從而可方便地判斷出旋轉方向。當碼盤隨著被測轉軸轉動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差90°電度角的近似于正弦波的電信號，電信號經過轉換電路的信號處理，可以得到被測軸的轉角或速度信息。

（3）電機模塊

電機模塊采用上海四宏電機有限公司生產的二相四線制步進電機，型號為42BYGH102（主要參數(shù)為：步距角1.8°，工作電壓12 V，額定電流0.5 A，靜轉矩0.4 N.m）。

（4）電機驅動模塊

電機驅動模塊采用上海四宏電機有限公司生產的SH-215B高性能細分驅動器。

（5）顯示模塊

顯示模塊采用CD4094驅動七段式共陰極數(shù)碼管[3]。

系統(tǒng)各個模塊的方案選擇，如表3所列。

表3 方案總括

2.2 電路與軟件程序設計

以上分別討論了各個子模塊的選擇方案，確定結果如表3所示。下面將以上各模塊進行電路整合，并為其設計軟件程序。在控制過程中，擺桿的位置信息通過安裝在轉軸上的增量式光電編碼器測出，兩路輸出信號進入SST89E516RD單片機，OUTA接單片機外部中斷口P3.2，OUTB接單片機I/O端口P1.2，用控制程序進行識別，即可得到擺桿的角位移變化信息。單片機對此進行分析處理，依照指定功能通過一定算法控制步進電機轉動，達到控制平板運動，激光定位等功能要求。在設計電路時，步進機采用了專用驅動器SH-215B，其直接與單片機和步進電機相連。總體電路設計框圖見圖5。

圖5 總體電路框圖

軟件部分主要實現(xiàn)擺動過程中平板的旋轉與平衡的控制。本系統(tǒng)主要通過SST89E516RD單片機接收由增量式光電編碼器采集的擺桿轉動角度（中斷處理），內置平板狀態(tài)控制的算法，查表得到激光筆應旋轉的角度，發(fā)送相應角度旋轉指令給高性能細分驅動器SH-215B，驅動步進電機實現(xiàn)平板的旋轉，確保在擺桿自由擺動過程中盡量使激光筆光斑始終瞄準照射在靶紙的中心線上。另外，實時地將擺角的大小顯示在數(shù)碼管上。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

電路及軟件程序設計部分，電機驅動模塊是重要的一環(huán)，下面詳細介紹這一部分。SH-215B驅動器+5 V引腳接5 V控制電源，ENA引腳懸空，CP、DIR端分別接入單片機 P1.0、P1.1端口，VCC、GND接+24 V直流電源，A+、A-、B+、B-端口接到步進電機相應繞線，具體為：A+接紅線，A-接綠線，B+接黃線，B-接藍線，如圖7所示。

圖7 電機驅動電路設計

電機驅動子程序：

sbit P10=P1^0; //電機CP控制端

sbit P11=P1^1; //電機運轉方向控制

void maichong(uint i)//步進電機控制輸入脈沖序列

{

uint j;

for(j=0;j

{P10=1;

delay();

P10=0;

delay();}

}

if(count>flag) //擺桿向右旋轉

{

P11=1;

if(count>0)maichong(tab1[count-1]);

else if(count<0)maichong(tab2[-count-1]);

else maichong(tab2[0]);

flag++;

}

if(count

{

P11=0;

if(count>0)maichong(tab1[count-1]);

else if(count<0)maichong(tab2[-count-1]);

else maichong(tab1[0]);

flag--;}

3 結束語

本文論述了一種較為簡單的自動控制系統(tǒng)—自由擺激光追蹤系統(tǒng)，其運用了反饋控制的基本理論和方法。反饋控制的基本環(huán)節(jié)包括測量、計算和驅動三個部分，在本系統(tǒng)中，測量裝置為增量式光電編碼器，計算部分為51單片機，驅動環(huán)節(jié)為兩相四線制步進電機。由于各部件存在的原始誤差和時滯效應，系統(tǒng)的精度受到一定的影響。在今后的研究工作中，可以將通過算法優(yōu)化的方法來減小系統(tǒng)的誤差并且提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，從而拓寬該控制系統(tǒng)在工業(yè)、航空航天、國防等重要領域的應用，如在特殊環(huán)境下的激光鉆孔、切割，激光制導以及激光定位等。

[1]M.B.Hoagland，B.Dodson.The Way Life Works[M].New York:Three Rivers Press,1998.

[2]金 偉，齊世清，王建國.現(xiàn)代檢測技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[3]康華光，陳大欽.電子技術基礎[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]鄒麗新，翁桂榮.單片微型計算機原理[M].蘇州：蘇州大學出版社，2009.

[5]陳 濤.單片機應用及C51程序設計[M].第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.