2012電子設(shè)計大賽設(shè)計報告(激光打靶)

1、 1系統(tǒng)方案設(shè)計及論證1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析通過對本次設(shè)計要求的具體分析和實驗驗證，確定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)擁有兩個微處理器，STM32F4用于處理攝像頭采集回來的胸環(huán)靶上的光斑圖片，得到位置信息；MSP430F149用于控制兩個步進電機帶動激光頭做二維運動。攝像頭受STM32F4控制用來檢測激光點的位置，TFT及12864上同步顯示激光點信息，步進電機受MSP430F149控制帶動激光頭對胸環(huán)靶進行射擊，進而完成題目要求的動作。按鍵模塊及顯示器實現(xiàn)人機交互功能，根據(jù)人為的模式選擇圖1系統(tǒng)框圖1.2方案比較選擇1.2.1電源模塊方案一：采用開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器LM2576。LM2576最大輸出

2、電流3A,內(nèi)部含有頻率補償和一個固定頻率的振蕩器，所需外圍器件極少，效率高，紋波較小。方案二：采用三端線性穩(wěn)壓集成電路LM7805。LM7805集成穩(wěn)壓電源芯片所需的外圍元件極少，線性穩(wěn)壓度好，芯片內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜，用它給控制系統(tǒng)供電足以滿足需求。方案三：采用三段線性穩(wěn)壓器LM2940。LM2940為低壓差穩(wěn)壓器件，輸入電壓范圍寬泛，輸出電流能達到1.25A,穩(wěn)壓性好，但是相比于其他穩(wěn)壓器件，價格較貴。電源模塊作為控制器的供電單元，它的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根據(jù)供電的電流需求以及成本考慮綜，本次設(shè)計選擇相對價格較低的方案一和方案二分別

3、給STM32F4和MSP430F149供電。122電機選擇方案一:兩個伺服電機。伺服電機自帶高精度編碼器，便于進行速度的閉環(huán)控制，驅(qū)動能力強，機械性能也好。在實驗中發(fā)現(xiàn)，雖然進行了閉環(huán)控制，控制也很平緩，但是打靶的精度也只能基本達到要求。方案二：兩個步進電機。步進電機具有快速啟動能力，轉(zhuǎn)換精度高，正反轉(zhuǎn)控制靈活，可以輕松達到通過脈沖進行控制。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)步進電機進行一定的細(xì)分之后，精度可以很好地控制，完全能滿足控制要求。方案三：步進電機加舵機。舵機使用方便，扭矩大，控制簡單，機械性能好，但是在實驗中發(fā)現(xiàn)，舵機的轉(zhuǎn)動靠脈沖寬度來調(diào)節(jié)，它的轉(zhuǎn)動精度不能達到基本要求，誤差很大。電機作為此次設(shè)計最

4、主要的執(zhí)行單元，它的好壞直接關(guān)系到指標(biāo)的完成情況，對控制精度要求很高，綜合考慮以上因素，本次設(shè)計選擇方案二。1.2.3電機驅(qū)動方案一：使用L298N電機驅(qū)動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，響應(yīng)頻率高，自帶使能控制端，操作方便，性能穩(wěn)定，一個L298N就可以控制一個兩相四線步進電機。但是L298N不能進行細(xì)分，步進電機轉(zhuǎn)動所需要的精度不能得到有效的調(diào)節(jié)。方案二：使用半橋驅(qū)動芯片BTS7960,需要2個芯片來驅(qū)動一個電機，電流最高43A,由于其內(nèi)阻很小，驅(qū)動過程中發(fā)熱不明顯，但其價格較高，并且經(jīng)過實驗，它不能滿足細(xì)分的精度要求。方案三：使用東芝公司的TB6560AQH驅(qū)動芯片

5、，可以輸出高達3A的驅(qū)動電流，集成度高所需外圍器件少，使用方便，并且經(jīng)過芯片自帶的細(xì)分設(shè)置后能夠很好地滿足控制電機時的轉(zhuǎn)動精度要求，芯片自帶的衰減模式也非常利于調(diào)節(jié)電機的震動。電機驅(qū)動主要受MSP430F149控制用去驅(qū)動本設(shè)計的主要執(zhí)行單元一一步進電機，它的好壞直接影響到執(zhí)行單元的運行穩(wěn)定性。綜合考慮轉(zhuǎn)動精度，電流衰減等因素，選擇方案三。1.2.4攝像頭傳感器方案一：采用索尼公司的1/3480線CCD攝像頭，該攝像頭具有超過38萬的像素，清晰度很高，價格適中。該攝像頭為多電源供電，供電復(fù)雜，通過CCD攝像頭采集回來的圖像需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后再通過預(yù)處理器預(yù)處理，處理過程較為復(fù)雜。在實驗中發(fā)現(xiàn)使

6、用這種攝像頭，單片機無法快速完成圖像處理工作，在時間上不能給主控制器足夠的時間進行步進電機控制，不能滿足控制要求。方案二：采用OV7670攝像頭集成模塊，該攝像頭為30萬（640*480）像素,內(nèi)部集成了AGC、AWB、AEC多種功能，集成度極高。OV7670對環(huán)境的適應(yīng)性好，不依賴于特定環(huán)境，能很好地進行自我調(diào)節(jié)。該攝像頭模塊集成了一定容量的存儲空間可以緩存一部分圖像，對于單片機處理采集回來的圖像增加了更多的時間，對于電機控制器也增加了有效的定位時間。OV7670攝像頭價格便宜，對于此次設(shè)計所需要的圖像采集精度信息量完全足夠，在實驗中也能完全滿足測試要求。攝像頭作為此次設(shè)計的唯一傳感器，是此

7、設(shè)計的核心器件之一。它的好壞直接影響到PID算法中的反饋信息，對執(zhí)行單元的調(diào)節(jié)直接構(gòu)成影響。綜合以上考慮，此設(shè)計選擇方案二。1.2.5控制器方案一：采用MSP430F149單片機作為控制器。MSP430F149單片機具有豐富的接口資源且為即插型可編程器件，編程方便，同時它可以直接驅(qū)動96LCD。MSP430F149功耗極低，價格便宜，是低功耗要求下的的一款首選處理器。方案二：采用可編程器件CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度小、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富，易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的核心，但是功耗大

8、價格也相對昂貴。方案三：采用STM32F4單片機作為控制器，STM32F4為32位處理器數(shù)據(jù)處理能力比普通單片機更強，并且最高可達到72MHz的主頻，處理速度極快，端口資源豐富，價格便宜，適合作為一個自動控制系統(tǒng)的控制器。MSP430系列單片機在低功耗情況下是極好的處理器，但是由于ROM很小，MSP430系列單片機不具備處理包含大量信息的圖片，STM32系列單片機恰好彌補了MSP430系列單片機在此次設(shè)計中的缺陷，考慮到功耗、價格以及數(shù)據(jù)處理能力等因素，選擇方案一和方案三。MSP430F149作為主控制器控制執(zhí)行單元，STM32F4作為副控制器負(fù)責(zé)處理攝像頭采集回來的數(shù)據(jù)。2理論分析與計算2.

9、1激光靶點分析2.1.1激光點運動軌跡分析在胸環(huán)靶面上建立一個直角坐標(biāo)系，根據(jù)勻速直線運動公式：S二V*t，激光點從任一點到達指定點它的位移等于X方向與Y方向的和位移，由此可知S=；S2+S2（2-1）y通過運動路徑分析（如圖2），只要分別滿足了X方向和Y方向的位移，則它的運動軌跡即和位移也就確定了，就可達到任一點移動要求。圖2運動路徑分析2.1.2打靶精度分析如圖3,抽象出激光打靶的數(shù)學(xué)模型。對于同心圓，在水平方向和豎直方向所需要的位移量是相等的，即控制激光點水平和豎直移動所需要的位移量精度是相等的。根據(jù)自主選擇的胸環(huán)靶以及設(shè)計要求可知:L=300cm(2-2)H=50cm(2-3)L=2c

10、m(2-4)2L=2cm(2-5)3L=“L2+H21(2-6)L=L*land(2-7)21L3=L*tan(B+arttan(H/L)-H(2-8)圖3激光打靶模式數(shù)學(xué)模型根據(jù)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)如下：B=acrtan(斗)-arctan(T)（2-9）（2-10）L激光點距胸環(huán)靶水平距離H胸環(huán)靶中心距地面垂直距離a-激光點在胸環(huán)靶上最小水平移動距離對應(yīng)移動角P-激光點在胸環(huán)靶上最小豎直移動距離對應(yīng)移動角2.2圖像定位分析2.2.1激光點環(huán)數(shù)信息分析在胸環(huán)靶面上正上、正下、正左、正右四個方向各有一個藍(lán)色的小圓形紙片作為標(biāo)示，每個紙片距離最外環(huán)的距離為5cm。正上方為藍(lán)色標(biāo)識1,正下方為藍(lán)色標(biāo)識2,

11、正右方為藍(lán)色標(biāo)識3,正左方為藍(lán)色標(biāo)識4。定位坐標(biāo)如圖4。3 #3 b34圖像定位坐標(biāo)由得到的四個標(biāo)識點的坐標(biāo)bi（Xi,W，b2（X2,打，b3（X3,人），b4（X4,，建立一個直角坐標(biāo)系，并可計算出整個胸環(huán)靶的半徑為r二（lX1-X41+1X2-XJ）/4,每兩環(huán)之間的距離為人二r門。當(dāng)檢測到激光點的坐標(biāo)為r（兀y）時，依據(jù)A和d（d為激光點到原點的距離d7X2+y2）的關(guān)系:d（11n）A（2-11）就可判定激光點位置。2.2.2激光點方位信息分析由標(biāo)記點建立的坐標(biāo)系可知，激光點的坐標(biāo)滿足如下關(guān)系:-、：3xyf3x,正上xyQ3x,右上；33卄xyx,j正33一3xyx,右下-丁yx丁

12、y,正下斗yx弋3y,左下3yx-y3y,正左-3yx-3-y,左上(2-12)時，根據(jù)激光點的坐標(biāo)信息即可知道激光點對應(yīng)的方位信息。 圖6電源模塊電路3電路與程序設(shè)計3.1電路設(shè)計3.1.1電源電路設(shè)計系統(tǒng)電源的供電設(shè)計在整個系統(tǒng)中至關(guān)重要，它對單片機系統(tǒng)是否正常工作起著關(guān)鍵作用。在設(shè)計中，為了達到電壓穩(wěn)定的目的，采用12V1A的開關(guān)電源給系統(tǒng)供電，通過LM2576和LM7805穩(wěn)壓芯片將12V電壓降至5V再經(jīng)過AMS1117-3.3給MSP430F149和STM32微控制器供電。部分電路如圖6。-I3.1.2電機驅(qū)動電路設(shè)計BT6560AQH是內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流雙全橋式多功能驅(qū)動器

13、其電路如圖7。步進電機驅(qū)動模塊電路3.1.3控制電路與接設(shè)計系統(tǒng)采用了MSP430系列單片機中的MSP430F149,其電路如圖8。DDB=三=世廠Ig圖8控制電路與接口設(shè)計I三三三三 ii3.2程序設(shè)計此次設(shè)計中程序主要包含了圖像的米集與處理算法，在得到圖像信息后，主控器進入不同的模式執(zhí)行不同的功能，在各個模式的執(zhí)行中，主要運用PID算法來提高控制精度。程序流程圖如下所示：模式9模式2模式1模模式式67模式8圖9主程序流程圖圖10圖像處理子程序流程圖4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案設(shè)計4.1.1測試儀器器件精度備注直尺1mm卷尺1cm秒表0.01s4.1.2測試方法：按要求調(diào)節(jié)激光頭打至所

14、需環(huán)數(shù)，記錄液晶顯示器上顯示的位置信息和實際的位置信息。測量激光中心點打靶時，根據(jù)蜂鳴器提示記錄實際的環(huán)數(shù)信息和顯示器上的環(huán)數(shù)信息以及偏差距離，同時用秒表測量每次中心打靶所需要的時間。4.2彈著點環(huán)數(shù)與方位信息顯示測試及結(jié)果當(dāng)激光點打到胸環(huán)靶上某一具體位置時，顯示器上進行環(huán)數(shù)和方位信息的顯示。測試結(jié)果如表1。表1環(huán)數(shù)與方位信息顯示測試數(shù)據(jù)序號實際環(huán)數(shù)測量環(huán)數(shù)實際方位測量方位環(huán)數(shù)誤差是否有方位誤差199左上左上0否21010中心中心0否377止卜止卜0否488右下右下0否555右上右上0否4.3彈著點圖像顯示測試及結(jié)果（發(fā)揮部分）當(dāng)激光點打在胸環(huán)靶上時，胸環(huán)靶及彈著點的相應(yīng)圖形都在圖形點陣顯示器

15、上進行顯示，同時閃爍提示。測試結(jié)果如表2。表2彈著點圖像顯示測試數(shù)據(jù)序號顯示實際環(huán)數(shù)與方位是否有誤差誤差環(huán)數(shù)環(huán)數(shù)方位環(huán)數(shù)方位環(huán)數(shù)方位110中心10中心否否029左上9左上否否038右下8右下否否047止卜7止卜否否056左下6左下否否066右上6右上否否04.4自動中心打靶測試及結(jié)果（發(fā)揮部分）激光點從任意指定位置打到中心點。測試結(jié)果如表3。表3自動中心打靶測試數(shù)據(jù)序號設(shè)定環(huán)數(shù)是否到達中心誤差環(huán)數(shù)偏差距離耗時蜂鳴器是否指示19是00.6cm1.02s是26是00.8cm0.96s是38是01.0cm0.95s是45是00.5cm1.21s是57是00.8cm1.13s是610是00.5cm0.78s是 4.5任一點打靶測試及結(jié)果（發(fā)揮部分）通過鍵盤設(shè)定510的任意環(huán)數(shù)，激光點自動打到設(shè)定環(huán)數(shù)。測試結(jié)果如表4。表4任一點打靶測試數(shù)據(jù)序號設(shè)定環(huán)數(shù)實際環(huán)數(shù)誤差環(huán)數(shù)155026603770488059904.6移動中心定點打靶（發(fā)揮部分）在此模式下，激光槍處于常開狀態(tài)并打向中心，緩慢移動胸環(huán)靶，激光槍自動調(diào)節(jié)始終打向胸環(huán)靶中心。4.7結(jié)論與分析通過表格中數(shù)據(jù)分析，各項指標(biāo)均達到設(shè)