自动追踪目标激光投线仪控制系统设计

    翁飞兵，彭春辉

    (国防科技大学，湖南氏沙410073)

    摘要：为激光投线仪设计了一套控制系统，使得投线仪能够自动追踪目标。主控制器件采用PIc系列单片机，接受无线电遥控信号来控制投线仪的运动，采用直流电动机和步进电动机混合驱动，从而能准确定位所投射的激光线．

O引  言

    目前市场上流行一种激光投线仪(也称激光标线仪)，这种仪器能大范围内发出水平、垂直激光线，广泛应用于天花板施工，水电、空调、消防管路架设等各项需要垂直线、水平线的相关工程。激光投线仪虽然能够自动调整水平线，但是只能靠手动来投射垂直激光线，例如日本的拓普康AL-KYRT、AL-K Yll激光投线仪等等。随着该产品的应用越来越广泛，对激光线投射精度要求越来越高，室外施工的不便，手动越来越不能满足人们的需求，我们设计和开发了基于PIc单片机的自动追踪目标激光投线仪的控制系统。自动追踪目标方便了室外施工，增强了激光投射的精度，提高了工作效率，有利于激光投线仪的广泛使用。

1控制系统总体设计

    自动追踪目标激光投线仪控制系统主要由主控制模块、无线电遥控模块、电机驱动模块等组成，控制系统控制框图如图1所示。

    该系统主要用来实现激光投线仪的自动追踪和精确定位，要求能控制电机的正反转，并且当达到目标位置时能及时停机，电机采用直流电动机和四相步进电动机混合驱动，在目标位置线(投线仪投的是激光线)周围放有激光检测模块，能够检测到激光并转化成电信号，中间留有一目标线，无检测即无检测信号发出，表示已达到目标位置，检测装置分别控制直流电动机和步进电动机运行及其电机的正反转。当激光线对准目标线时就停机，也就是检测信号从有到无的时刻就自动停机。检测到的停机信号、正反转信号采用无线发射给单片机。

    自动追踪及准确定位控制过程：直流电动机带动激光投线仪转动，同时发出激光线，当检测装置检测到激光信号时，改成步进电动机运行，电信号通过无线电遥控系统传给单片机，该信号带着电机正反转信息，当检测信号从有到无时，单片机接受到停机信号立即控制步进电动机停止运行，停机时刻即检测信号从有到无的时刻。如果能迅速检测到目标点并及时发射给单片机，加上步进电动机的可靠停机就能实现准确定位。

  (1)主控制模块设计

  主控制器采用单片机PIcl6F877A，PIcl6F87A具有40引脚，外围区域模块包括端口A、B、c、D、E五个输入输出端口模块，三个定时器模块，EEPROM数据存储器模块，A／D转换模块，串行并行通信模块等等，共15个外围设备模块。片内集成了数量较多的外围设备模块，为了协调各模块高效运行，PIc同时具有丰富的中断功能，达1 8种之多。

    检测信号由单片机通过软件来处理，RB4～RB7这四条引脚具有电平变化中断的功能，利用这些引脚连接无线接收器来控制直流电动机、步进电动机的起动、正反转及停机。当都为低电平时产生起动直流电动机带动投线仪运转，由低电平变高电平产生中断时，则步进电动机运转，由高电平变低电平产生变化中断时，则停止运转，即对准目标后准确停机。利用Rc口控制直流电动机正反转。

  (2)电机驱动模块

  电机驱动模块包括直流电动机驱动模块和步进电动机驱动模块。直流电动机驱动器只需要一个H桥功率放大器，原理图如图2所示，H功率桥由四个MOsFET构成，直流电动机正转时Q1和Q4导通，反转时Q2和Q3导通。由于MOsFET的快速导通性及其续流二极管的快速续流，可以实现对直流电动机的控制。如果需要调速可以通过单片机产生的PwM信号来控制。

步进电动机的通电换相由PIc单片机软件来实现，驱动可以由功率放大器来完成，也可使用专门的集成电路芯片，这里采用恒流斩波驱动，原理如图3所示。

当控制脉冲为低电平时，n和T2管都不导通，当控制脉冲U1为高电平时，T1和T2管开始时都导通，电源向绕组供电，由于绕组电感的作用，R上的电压逐渐升高，当超过给定电压U值时，比较器输出低电平，导致与门也输出低电平，T1截止，电源切断；取样电阻R上的电压小于给定电压时，比较器输出高电平，电源又开始向绕组供电，反复循环，直到控制脉冲变为低，因此控制脉冲为高电平期间，绕组两端的电流被控制在给定值周围。由于T2每导通一次，Tl导通多次，因此Tl要使用高频开关管。U在这里起到设定恒流步进电动机绕组电流