| 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的作用。
(3)無線電遙控模塊
無線電遙控模塊主要是為了讓投線儀追蹤目標，包括發射部分和接收部分，其原理如圖4所示。
檢測模塊檢測到激光線后進行檢測信號處理，不同方向的激光線經檢測調理電路處理后得到不同無線發射觸發信號，通過無線發射模塊編碼發送。接收后再經過解調，譯碼后變換成一組開關信號，單片機根據這些信號確定運行方式。傳遞的信號一般比較弱，需進行濾波放大，再傳遞給單片機處理。
2軟件設計思路
直流電動機的正反轉和步進電動機的通電換相均用軟件來實現，直流電動機采用PwM控制，利用Rc2(ccPl)和Rcl(ccP2)口輸出一定脈沖寬度的PwM信號來控制直流電動機正反轉。PwM的占空比決定直流電動機的運行速度。按照給定的通電換相順序，通過單片機RD口四條I／O線，向步進電動機傳送換相控制信號。該設計采用四相步進電動機按八拍方式通電工作即通電換相的正序為：A-AB-B-Bc-c-cD-D-D4-A，共有八個通電狀態。用0代表繞組斷電，“l”代表繞組通電，則可用八個控制字來對應這八個通電狀態。控制字如表l所示．
在程序中只要依次將這些控制字送到Rc口，步進電動機就會轉動一個齒距角，磁通旋轉一周，每送一個控制字，步進電動機轉過一個步距角。所以控制控制字的依次傳送時間就能控制電機速度。利用TMHO延時來產生相鄰兩個控制字的時間間隔。用R作為狀態計數器，正轉時加1，反轉時減l，當加到8時則修正為零，減到0時，修正為8。把八個控制字做成一個表格，利用PIc的查表程序來實現控制字的傳遞。
中斷服務有兩種可能性，進人中斷之后必須判斷是何種中斷。程序流程圖主要包括一個主程序、直流電動機運行子程序、步進電動機運行子程序、一個中斷服務子程序以及其它一些子程序。我們給出了主程序和中斷子程序的流程圖如圖5、圖6所示。
3結語
基于單片機的步進電動機控制系統運行平穩，抗干擾能力強，能夠幫助激光投線儀自動搜索目標，用軟件來產生脈沖分配，充分利用了單片機的引腳，節省了硬件資源。利用外部中斷來產生停機信號能夠及時停機，準確對準目標。實踐證明，PIc單片機對直流電動機和步進電動機的控制能夠起到很好的控制效果，為電機的廣泛應用提供了平臺。步進電動機的恒流驅動雖然提高了電源效率，并且有效地抑制共振，但是電流波形為鋸齒形，將會產生很大的噪聲，特殊場合需要考慮其它步進電動機驅動方法。
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