陈电子打靶论文.docx
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陈电子打靶论文.docx
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陈电子打靶论文
装订线
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加密号:
加密号:
DQHR-B-003
学校名称:
哈尔滨石油学院
队员姓名:
郭更新李旭鹏陈梦艳
赛点负责人:
张春志
教务处章:
2012年8月2日
炮台打靶设计与总结报告
学校:
哈尔滨石油学院
组长:
郭更新
组员:
李旭鹏陈梦艳
摘要:
本电子打靶设计中,用细分器驱动步进电机来促使集成性激光笔上下左右移动发射光信号,光敏二极管做成的靶盘接受光信号,当二极管导通后光信号就转换成了电信号,微弱的电信号经LM324比较器通过9013放大器放大后的电信号从控制端输入性89C51单片机,单片机控制液晶显示屏显示靶数,语音模块报靶。
该设计前景是取代了国际运动射击项目场上人工报靶的繁琐,人力资源的浪费,紧跟智能化、自动化、人性化的科学理念。
关键字:
89C51单片机光敏二极管步进电机
目录
一、设计任务与要求3
二、方案论证4
1、电机的选择与论证4
2、驱动模块的选择与论证4
3、靶盘材料的选择与论证5
4、激光笔选择与论证。
6
5、液晶显示屏的选择与论证6
6、语音模块的选择与论证7
7、整体控制图7
三、系统分析与计算8
最小系统板的介绍8
步进电机与TB6560细分器9
LM324放大器9
LED数码管10
四、测试10
五.总结和心得10
六、参考文献11
一、设计任务与要求
设计并制作1个简易的炮台和电子靶,并在炮台上安装电动机驱动装置,
使炮塔在水平方向左右转动;在炮塔上安装电动机,可使炮塔上的炮口上下运动,用发红光的激光笔代替火炮。
电子靶上能显示该次打靶环数及总环数,并能语音播报单次打靶环数和总环数。
本题应完成手动或自动两种方式控制炮台、瞄准光靶,实现激光打靶。
炮台打靶示意图如图1-1所示。
图1-1
基本要求:
(1)对电子靶进行测试,用激光笔分别打到每1环上,电子靶能够语音播报该次打靶的环数、总环数,并能显示该次打靶环数及总环数。
(2)把电子靶和炮台摆放好后(按说明5),开始计时,用手动控制炮塔,瞄准电子靶,瞄准完毕,连续发射三炮(按说明4),总时间小于120s。
(脱靶则视为没有完成)
(3)电子靶分别显示每次的环数,显示的同时并播报,最后显示并播报总环数。
(4)两次移动电子靶的位置(按说明5),用手动重新控制炮塔,瞄准电子靶,重复
(2)(3)步骤。
二、方案论证
1、电机的选择与论证
方案一:
直流电机。
直流电机相比其他电机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调整范围广;直流电机的工作状态可分为两种:
开环状态和闭环状态。
直流电机在开环状态时,电路相对简单,但其定位性能比较差。
直流电机工作的闭环状态时,其定位性能较好但是相对开环状态又要增加很多检测器件,使用的元件较多,电路非常复杂。
转速大,扭矩大,可实现频繁的无极素快速启动,市场价格较为低廉。
但是由于其惯性大不利于小角度的偏转
方案二:
舵机。
舵机无需驱动,能够转动180°,能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度。
当舵机的有效角度范围为180度的话,其控制精度可达180/1024度约为0.18度。
舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构,其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。
但是舵机力度较为小,有时候难以带动相关器件。
舵机的主要性能取决于最大力矩和共组速度,它是一种位置伺候的驱动器,适用于那些需要角度不断变化并能够保持的控制系统,舵机能够在微机电系统中作为基本的输出执行机构
方案三:
步进电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移4或线位移的开环控制元件。
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,即4给电机一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性4的误差而没有累积性的误差等特地,使得步进电机在速度、位置等控制领域的控制操作非常简单。
每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。
它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。
改变绕组通电的顺序,电机就会反转。
所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
步进电机可实现精准,包括角度精准,角度精准。
而且步进电机旋转角度大,可实现360度旋转。
经过各次大赛的经验所得,直流电机惯性太大,不利于控制,舵机力度太小,可能带不起炮台的运作,造成致命性的问题,故我们选择方案三,步进电机。
2、驱动模块的选择与论证
方案一:
采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。
用该芯片作为直流电机驱动,精确度高,性能好,可以实现前后左右程序控制执行。
但在驱动步进电机时没有这么简单。
另外此芯片价格昂贵。
方案二:
采用那个TIP122。
采用TIP122芯片作为电机驱动,它的优点是性能优良,电路简单,价格低廉,但是无法实现正反转。
方案三:
TB6560细分器。
细分器可以改善电机的运转性能,使用常规的电机驱动电机没运行一步其饶阻内的电流变化较大,相电机电流的巨大变化,势必会引起电机运转的振动和噪音。
而使用细分器后饶内阻的电流变化很小,且其电流是一正弦曲线规律变化,这样就大大的减少了电机的振动和噪音。
在本次设计中,我们采用TB6560细分器来驱动来驱动步进电机通过改变A、B相电流的大小一改变合成磁场的夹角,从而将一个步距角细分为多步,为我们解决了电机转动时因振动而出现精度不够,瞄准错误的问题。
故我们选择方案三,TB6560细分器。
3、靶盘材料的选择与论证
方案一:
太阳能电池板。
太阳能光能电池板性能优良,灵敏度好,易于接收光信号,但是价格很昂贵。
方案二:
光敏电阻。
光敏电阻器是利用半导体和光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。
光敏电阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光(0.4~0.76)μm响应很接近,只要人眼可感受的光,都会引起它的阻值变化。
设计光控电路时,都用白炽灯泡(小电珠)光线或自然光线作控制光源,使设计大为简化。
但是受外界太阳光和其他光源影响较大。
方案三:
光电二极管
光电二极管是将光信号转换成电信号的半导体材料。
和普通的二极管相比,它的核心部分是也是一个PN结,不同之处在于光电二极管的外壳有一个透明的窗口可以接收光线照射,实现光能转换。
光电二极管在是在反向电压作用下工作的,可以检测到微弱,快速光信号探测方面有着重要作用。
在本次电子打靶设计中,我们炮台打靶如果选择光敏电阻作为我们靶盘材料的话那么将会受太阳光的照射影响较大给我们正常的接受光信号带来不便,另外光敏电阻体积非常小,在制作每一环(环宽一厘米)的时候中要用很多光敏电阻将其并联起来,这样的话,其总电阻非常非常小,几乎无异于一根导线了,显然失去了意义,因此我们舍弃光敏电阻。
再考虑到太阳能电池板价格太贵,实用性不大,舍弃。
4、激光笔选择与论证。
方案一:
激光笔。
普通激光笔光能量较弱,不易于靶体接受,操作麻烦,但是价格便宜
方案二:
集成性激光管。
光能量较强,易于靶体接受,但是价格昂贵。
选择总结:
由于我们的靶体是由光纤组成,且炮台距离靶盘2到3米。
需要较强的激光对其产生刺激,引发反应,普通的激光笔无法满足这个需要,强行使用会导致光电二极管靶盘接收不到光信号或是特别微弱的光信号,所以,无疑,我们会选择方案一,集成性激光笔。
5、液晶显示屏的选择与论证
方案一:
LED数码管。
LED数码管的主要特点如下:
1)、能在低电压、小电流条件下驱动发光,能与CMOS、TTL电路兼容。
2)、发光响应时间极短(<0.1μs),高频特性好,单色性好,亮度高。
3)、体积小,重量轻,抗冲击性好。
4)、寿命长,使用寿命在10万小时以上,甚至可达100万小时,成本低。
方案二:
12864。
基本特性:
低电源电压;显示分辨率:
128×64点内置汉字字库,提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)内置128个16×8点阵字符2MHZ时钟频率;显示方式:
STN、半透、正显;驱动方式:
1/32DUTY,1/5BIAS;视角方向:
6点;背光方式:
侧部高亮白色LED,低功耗。
通讯方式:
串行、并口可选内置DC-DC转换电路,无需外加负压无需片选信号,简化软件设计。
方案三:
LCD1602.
其的特点,是体积小、形状薄、重量轻、耗能少(1~10微瓦/平方厘米)、低发热、工作电压低(1.5~6伏)、无污染,无辐射、无静电感应,尤其是视域宽、显示信息量大、无闪烁,并能直接与CMOS集成电路相匹配,同时还是真正的“平板”式显示设备。
综合分析,12864编写程序较为简单但是在本次项目中我们只需显示每次的打靶的环数以及最后显示平均环数,再者12864的屏较大很难转载在炮台上所以舍弃12864,1602虽然从理论上符合我们的要求但在实际操作中,我们的硬件对其产生较大的干扰,也舍弃,而LED数码管不仅能满足我们的需要还能在低电压低电流的情况下正常工作,故我们采用性能优良体积小重量轻的LED数码管作为我们的液晶显示屏。
6、语音模块的选择与论证
方案一:
APR9600语音芯片。
APR为单段30秒录放语音芯片,APR9600可分段录音,断电后语音能保存,特点:
控制不方便,容易丢失数据,芯片价格比较高。
方案二:
PM50系列.。
PM50采用单片机加语音处理器FLASHRAM结构。
能反复擦写,芯片价格较高。
方案三:
ISD系列语音芯片
ISD语音芯片特点采用的是多电平直接模拟存储技术,声音不需要A/D转换和压缩,每个采样VSSA值直接存储在片内的闪烁存储器中,避免了一般固体录音噪声和金属声,能够真实、自然地再现语音效果其次,另外其所需外围器件很少电路简单。
综合,ISD4004语音芯片具有能够准确控制语音录放地址的功能,电路简单,音质好,符合我们的需要且价格合适,故我们选择方案三。
7、整体控制图
该电子靶分为两大部分,他们各自独立存在,激光发射笔和接受(电子靶)相关起来,形成个整体智能化电子器件。
简略如下示意图:
炮台底座(塑料板)
支撑杆(金属铜)
转动电机(步进电机)
发射器件(集成性激光笔)
驱动电路(细分器)
靶靶盘(光电二极管)
液晶显示屏(LED数码管)
语音模块(ISD4004语音芯片)
经过以上的分析与论证,该设计的各个模块之间的控制框架如图2-1.
图2-1:
控制框架图
三、系统分析与计算
最小系统板的介绍
因为最小系统是单片机工作的最小单元,所有应用系统都必须包含最少一个最小系统,单片机离开最小系统就不能工作。
单片机的最小系统包括:
电源,时钟电路,复位电路。
1、电源:
单片机一定要工作在+5V的直流电源下,因此我们设计一个电压转换电路把高于+5V的电压降到+5V并且稳定下来,图3-1是7805稳压电路图。
图3-1:
7805稳压电路图
2、时钟电路:
应为单片机为跑程序的器件,读每一个指令都要花一定时间,这个时钟有晶振提供。
图3-2是晶振电路的标准电路:
Y1是11.0592MHz(或12MHz)的无源晶振,并接在单片机的XTAL1和XTAL2口;两个20PF的瓷片电容辅佐起振。
电容看具体晶振而定
图3-2:
晶振电路图图3-3:
复位电路图
3、复位电路:
对于数字电路,特别是具有内部寄存器的数字芯片,复位尤其重要。
因为断电时,内部寄存器可能还存放这上次所用的数值,如果上电以后,器件马上进入使用状态,对寄存器内部的数据调用就可能出错,严重会使系统崩溃。
所以在进入使用状态前给一小段时间给器件自动把所有寄存器清0,这样就可以防止出错。
因此有时候为了重启系统,可以使用手动复位,避免频繁开关电源。
复位电路的具体电路如上图3-3所示。
步进电机与TB6560细分器
步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点,在机电一体化产品中应用广泛,常用作定位控制和定速控制。
在本次实验设计中,我们选择TB6560细分器来驱动步进电机。
TB6560步进电机驱动电路主要包括3部分电路:
控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。
步进电机的控制信号隔离电路如图3-4所示。
图3-4:
AR1688系统框图图3-5:
步进电机主电路
步进电机的主电路包括驱动电路和逻辑控制两大部分,如图3-5所示。
在该图中,NFA、NFB分别为电机A、B相最大驱动电流定义引脚,最大电流计算公式为IOUT(A)=0.5(V)/RNF(Ω),若预先定义电机每相的最大驱动电流为2.5A,取RNF=0.2Ω,则PGNDA、PGNDB、SGND分别为电机A、B相驱动引脚地和逻辑电源地。
逻辑控制电路电源为5V,VDD为逻辑电源引脚,应接入去耦电容和旁路电容减小干扰噪声;M0、PROTECT为工作状态和过流保护指示灯;RESET为芯片复位脚,低电平有效;M2、M1为细分设置引脚,外接拨码开关可设定不同的细分值,如整步、半步、1/8细分、1/16细分。
步进电机的半自动半流。
为尽可能减小电机发熟,需要TB6560的TQ2和TQ1引脚电平在电机工作时设置为电流输出最大,在电机不工作时电流减半甚至更小,用NFA、NFB定义最大输出电流后,通过TQ2和TQ1设置电流比率输出,设为00、01、10、11时,输出的电流分别为最大电流的100%、75%、50%、25%。
LM324放大器
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除了共用电源外,四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图3-6所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
lm324引脚图见图3-7。
图3-6:
运算放大器图3-7:
LM324引脚图
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。
ISD4004语音芯片
ISD4004的存储器分为240O行。
对器件寻址,就是选择一行,从行首开始录、放操作而每行中的各列是不可寻址的。
每一行的所有操作都从第一列开始。
IsD40o4—8每一行周期为200Ins,这就是器件的地址分辨率。
其中每行有175Ins的高电平,25Ins的低电平。
每个录放周期都从这200Ins的“语音存储块”的块首开始,如图3-8所示。
图3-8
ISD44004内部引脚如图3-9所示。
图3-9
ISD44004语音芯片内部结构框架图如图3-10所示。
图3-10:
ISD44004语音芯片内部结构框架图
数码管
数码管接线图如图3-11所示。
图3-11:
数码管接线图
4、测试
1、测试仪器及数量和功能
仪器名称
型号
用途
数量
计算机
戴尔
调试程序
1
60MHz双踪数字示波器
TDS1002
观察单片机PWM输出及信号输出情况
1
数字万用表
MASTECHmy-65
测量各模块电路参数是否满足要求
1
米尺
建筑专用米尺
测量靶盘高度及靶盘到炮台的距离
1
2、试方法:
放置炮台,任意调整靶盘在模拟场地的位置及靶盘高度,远2.3米高0.5米,远2.5米高0.7,远2.8米高0.8米。
3、测试结果:
打出了十环、九环、八环,在每次射中靶盘,蜂鸣器响应同时LED数码管显示了相应环数,LED数码管并在最后显示了平均环数九环。
五.总结和心得
在选用仪器时候不能片面的选用功能强大的器件还要结合实际电路和其他器件之间的搭配,在使用仪器时候,也应切记不能只看参考书上的数据,那些只是理论的知识,有时候在实际操作的过程中会有所改变。
六、参考文献
C程序设计(第四版)谭浩强著
新概念51单片机教程郭天祥著
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- 关 键 词:
- 电子 打靶 论文