自動追蹤目標激光投線儀控制系統設計
翁飛兵，彭春輝
(國防科技大學，湖南氏沙410073)
摘要：為激光投線儀設計了一套控制系統，使得投線儀能夠自動追蹤目標。主控制器件采用PIc系列單片機，接受無線電遙控信號來控制投線儀的運動，采用直流電動機和步進電動機混合驅動，從而能準確定位所投射的激光線．
O引 言
目前市場上流行一種激光投線儀(也稱激光標線儀)，這種儀器能大范圍內發出水平、垂直激光線，廣泛應用于天花板施工，水電、空調、消防管路架設等各項需要垂直線、水平線的相關工程。激光投線儀雖然能夠自動調整水平線，但是只能靠手動來投射垂直激光線，例如日本的拓普康AL-KYRT、AL-K Yll激光投線儀等等。隨著該產品的應用越來越廣泛，對激光線投射精度要求越來越高，室外施工的不便，手動越來越不能滿足人們的需求，我們設計和開發了基于PIc單片機的自動追蹤目標激光投線儀的控制系統。自動追蹤目標方便了室外施工，增強了激光投射的精度，提高了工作效率，有利于激光投線儀的廣泛使用。
1控制系統總體設計
自動追蹤目標激光投線儀控制系統主要由主控制模塊、無線電遙控模塊、電機驅動模塊等組成，控制系統控制框圖如圖1所示。
該系統主要用來實現激光投線儀的自動追蹤和精確定位，要求能控制電機的正反轉，并且當達到目標位置時能及時停機，電機采用直流電動機和四相步進電動機混合驅動，在目標位置線(投線儀投的是激光線)周圍放有激光檢測模塊，能夠檢測到激光并轉化成電信號，中間留有一目標線，無檢測即無檢測信號發出，表示已達到目標位置，檢測裝置分別控制直流電動機和步進電動機運行及其電機的正反轉。當激光線對準目標線時就停機，也就是檢測信號從有到無的時刻就自動停機。檢測到的停機信號、正反轉信號采用無線發射給單片機。
自動追蹤及準確定位控制過程：直流電動機帶動激光投線儀轉動，同時發出激光線，當檢測裝置檢測到激光信號時，改成步進電動機運行，電信號通過無線電遙控系統傳給單片機，該信號帶著電機正反轉信息，當檢測信號從有到無時，單片機接受到停機信號立即控制步進電動機停止運行，停機時刻即檢測信號從有到無的時刻。如果能迅速檢測到目標點并及時發射給單片機，加上步進電動機的可靠停機就能實現準確定位。
(1)主控制模塊設計
主控制器采用單片機PIcl6F877A，PIcl6F87A具有40引腳，外圍區域模塊包括端口A、B、c、D、E五個輸入輸出端口模塊，三個定時器模塊，EEPROM數據存儲器模塊，A／D轉換模塊，串行并行通信模塊等等，共15個外圍設備模塊。片內集成了數量較多的外圍設備模塊，為了協調各模塊高效運行，PIc同時具有豐富的中斷功能，達1 8種之多。
檢測信號由單片機通過軟件來處理，RB4～RB7這四條引腳具有電平變化中斷的功能，利用這些引腳連接無線接收器來控制直流電動機、步進電動機的起動、正反轉及停機。當都為低電平時產生起動直流電動機帶動投線儀運轉，由低電平變高電平產生中斷時，則步進電動機運轉，由高電平變低電平產生變化中斷時，則停止運轉，即對準目標后準確停機。利用Rc口控制直流電動機正反轉。
(2)電機驅動模塊
電機驅動模塊包括直流電動機驅動模塊和步進電動機驅動模塊。直流電動機驅動器只需要一個H橋功率放大器，原理圖如圖2所示，H功率橋由四個MOsFET構成，直流電動機正轉時Q1和Q4導通，反轉時Q2和Q3導通。由于MOsFET的快速導通性及其續流二極管的快速續流，可以實現對直流電動機的控制。如果需要調速可以通過單片機產生的PwM信號來控制。
步進電動機的通電換相由PIc單片機軟件來實現，驅動可以由功率放大器來完成，也可使用專門的集成電路芯片，這里采用恒流斬波驅動，原理如圖3所示。
當控制脈沖為低電平時，n和T2管都不導通，當控制脈沖U1為高電平時，T1和T2管開始時都導通，電源向繞組供電，由于繞組電感的作用，R上的電壓逐漸升高，當超過給定電壓U值時，比較器輸出低電平，導致與門也輸出低電平，T1截止，電源切斷；取樣電阻R上的電壓小于給定電壓時，比較器輸出高電平，電源又開始向繞組供電，反復循環，直到控制脈沖變為低，因此控制脈沖為高電平期間，繞組兩端的電流被控制在給定值周圍。由于T2每導通一次，Tl導通多次，因此Tl要使用高頻開關管。U在這里起到設定恒流步進電動機繞組電流 |
