方案論證與比較樣本

目錄目錄 1一、控制模塊： 1二、電機模塊： 2三、步進電機驅動選?。?3四、顯示模塊： 4五、圖像采集模塊： 4六、通信模塊： 5七、黑線探測（尋跡）模塊 6八、位置傳感模塊 6九、溫度傳感器模塊 7信號類模塊總結： 8十、微信號檢測電路 8十一、移相網(wǎng)絡設計 8十二、運放型號選取 9十三、聲響模塊 10十四、角度傳感器選取 10十五、角度傳感器固定 11一、控制模塊： FPGA為系統(tǒng)控制器——FPGA可以實現(xiàn)各種復雜邏輯功能，模塊大，密度高，她將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可合用EDA軟件仿真、調試，易于進行功能控制。FPGA采用并行輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)解決速度，適合伙為大規(guī)模實時系統(tǒng)控制核心。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給FPGA，F(xiàn)PGA通過程序設計控制步進電機運動，但是由于本設計對數(shù)據(jù)解決時間規(guī)定不高，F(xiàn)PGA高速解決優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于集成度高，使其成本偏高，同步由于芯片引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接工作。 51單片機——老式51單片機廣為應用，具備使用簡便、價格便宜等長處，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容原則MCS-51指令系統(tǒng)，片內置用8位中央解決器和Flash存儲單元，功能強大。AT89C51單片機可靈活應用于各種控制領域。但是其運算速度較慢，功能相對單一，難以實現(xiàn)較為復雜任務規(guī)定。 MSP430F149——MSP430系列單片機是一種16位單片機，采用了精簡指令集構造，具備豐富尋址方式、簡潔27條內核指令以及大量模仿指令；大量寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器都可參加各種運算，尚有高效查表解決指令。并且MSP430單片機還具備解決能力強、運算速度快和超低功耗等長處。MC9S12XS128——是一款功能強大16位微控制器，具備豐富片上資源，涉及10位精度ADC、強大定期器、串行口等，支持浮點型運算，并且尚有精密比較器，大容量RAM和ROM，在工業(yè)環(huán)境有較廣泛應用。凌陽公司SPCE061A單片機——該單片機I/O口資源豐富，并集成了語音功能。芯片內置JTAG電路，可在線仿真調試，大大簡化了系統(tǒng)開發(fā)調試復雜度。二、電機模塊：直流電機——直流電機力量大，能獲得較大啟動轉矩，轉動速度快，調速范疇廣且以便，易于平滑調節(jié)和控制，可靠性高，調速時能量損耗較小和過載、起動、制動轉矩大、低速性能好，運營平穩(wěn)、噪音低和效率高等長處。但由于其控制精度較低，不能精準轉動固定角度。直流電機轉軸不能“令行禁止’,但是可以通過檢測角度然后采用斷電使電機停止轉動，并且可以調節(jié)程序使電機可以依照擺桿角度調節(jié)轉速與方向。步進電機——步進電機不需要使用傳感器就可以通過給脈沖數(shù)轉過固定角度，并且可以控制轉動速度，定距運動較精準。步進電機只有周期性誤差，而無累積誤差，使得它在速度、位置等控制領域控制操作非常簡樸。此外步進電機尚有動態(tài)響應快易于起停，易于正反速及變速等長處。但步進電機功率相對較少，轉速不高，并且是一令一轉，在運營時噪音大、高速扭矩小，啟動頻率低，價格較高。（機翼電機模塊： 直流電機又分為直流無刷電機和直流有刷電機。 有刷電機——有刷電機具備啟動快、制動及時、可在大范疇內平滑地調速、控制電機相對簡樸等特點。但有刷電機使用時功耗大、轉速低、壽命短、噪聲大且極易磨損。 無刷電機——無刷電機控制電路相對復雜，但無刷電機功耗只有有刷電機1/3，壽命是有刷電機4倍，但轉速也遠高于有刷電機，且低噪音、低干擾且絕對無磨損。）三、步進電機驅動選?。? 單電壓驅動——單電壓驅動是指電動機繞組在工作時，只用一種電壓電源對繞組供電，她特點是電路簡樸，普通只用于小功率步進電機驅動。 雙電壓驅動——雙電壓驅動是用來提高電阻辦法使繞組中電流上升波形變陡。她基本思路是在低頻段使用較低電壓驅動，在高頻段使用較高電壓驅動，這種驅動辦法在低頻段具備單電壓驅動特點，在高頻段具備良好高頻性能。四、顯示模塊：LCD液晶顯示屏——微功耗、尺寸小，超薄輕巧、顯示信息量大、筆跡清晰、美觀、視覺舒服。顯示容量大、占用單片機口線少、節(jié)約單片機時間。（涉及1602和12864液晶顯示屏）1602液晶顯示屏——1602液晶顯示屏體積小、超薄輕巧，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等點陣型液晶模塊，但是它具備顯示內容較少，沒有中文字庫，不能顯示曲線等缺陷。 12864液晶顯示屏——16824液晶顯示屏具備微功耗、顯示信息量大、筆跡清晰、美觀等長處，并且擁有中文字庫，可以顯示曲線。 LED數(shù)碼管——LED數(shù)碼管亮度高，醒目，但是其電路復雜，顯示信息量較小，且動態(tài)掃描需要占用大量單片機時間和大量單片機I/O口，無法做到實時顯示。五、圖像采集模塊：模仿攝像頭——模仿攝像頭具備，但是需要多路AD采集，解決起來較為復雜。數(shù)字攝像頭——數(shù)字攝像頭可以直接返回圖像亮度、色度等信息數(shù)字值，且可以選取GBR、YUV等各種形式輸出，具備操作以便長處。（OV6260）六、通信模塊： 串行通信——串行總線重要涉及IIC總線和SPI總線，兩者有較高時序性，并且操作簡樸。但慣用串行總線傳播距離短。 無線模塊——通過串口結合無線模塊形式可以將3米距離主機和從機聯(lián)系，沒有了線約束，大大改進了系統(tǒng)靈活性。但是無線模塊需要加入串口結合無線收發(fā)模塊方式，硬件架構較為復雜。 現(xiàn)場總線CAN總線——CAN總線有嚴密校驗功能，并且在信號強度穩(wěn)定狀況下，最長傳播距離長達10km。CAN總線傳播距離短并且只需要加入兩個獨立CAN控制器小模塊，實行較為以便，并且能保證傳播嚴密性。（獨立CAN控制器MCP2515） MC9S12XS128MC9S12XS128SPIMCP2515MC9S12XS128MCP2515SPICAN七、黑線探測（尋跡）模塊 多路陣列式光敏電阻構成光電探測器——光敏電阻探測到黑線時，黑線上方電阻值發(fā)生變化，通過電壓比較器比較將信號送給單片機解決，從而控制物體做相應動作。但由于光敏電阻對環(huán)境光辨認，容易受到外界環(huán)境光影響。 紅外反射式探測——用已調紅外線垂直射到板面，經(jīng)反射后轉換為電信號送入單片機解決。由于使用是紅外線，抗干擾能力強，不受外界自然光影響，循跡效果好。并且尺寸小、質量輕，便于安裝。反射式光電檢測器就是其中一種器件，它具備體積小、敏捷度高、線性好等特點，外圍電路簡樸，安裝起來以便，電源規(guī)定不高。用它作為近距離傳感器是最抱負，電路設計簡樸、性能穩(wěn)定性高。 熱探測器——由于溫度變化是由于吸取熱能輻射能量引起，與吸取紅外輻射波長沒關于系，即對紅外輻射吸取沒有波長選取，因而受外界環(huán)境影響比較大。 用發(fā)光二極管和光敏三極管組合——缺陷在于其她環(huán)境光源會對光敏二極管產(chǎn)生很大干擾。八、位置傳感模塊 光電傳感器——在物體安裝水平和垂直方向安裝兩只激光筆，在板邊沿每條坐標線旁邊安裝一光電傳感器，物體坐標所在處傳感器接受到激光筆，即可擬定物體位置。但用到光電傳感器會比較多，導致方案幾乎不可實現(xiàn)。 軟件辦法擬定物體位置——單片機控制物體從某個已知坐標位置出發(fā)，并且記錄步進電機每一次移動狀況，就可以通過一定算法計算出物體位置。這種方案系統(tǒng)簡樸，避免了硬件過于復雜特點。但由于沒有位置傳感器，精度較低。九、溫度傳感器模塊熱電偶——需要配備專用芯片進行測溫，成本較高，調試復雜。NTC型熱敏電阻——需要借助A/D對電壓進行采集，耗用資源較大，調試較復雜。她是一種線性溫度-電壓轉換電路，再通過工作電路（100uA）條件下，元件電壓隨溫度呈線性變化。測溫范疇在-200~200度之間。但是這個溫度相應唯一電壓值，讀取是電壓，需要做相應轉換才干變成溫度，很不以便。DS18B20溫度傳感器——并用單總線與主機進行通信，占用資源較少，敏捷度較高，分度值可達到0.0625度。它內含AD轉換器，因而線路連接十分簡樸，無需其她外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機通信，讀取測溫數(shù)據(jù)，電路十分簡樸，它可以達到0.5度固有辨別率，使用讀取溫度暫存寄存器辦法還能達到0.2度以上精度，應用以便，這樣電路重要工作量就集中到了單片機軟件編程上。信號類模塊總結：十、微信號檢測電路 濾波電路檢測微小信號——通過濾波電路將微小信號從強噪音中檢測出來，但濾波電路中心頻率是固定，而信號頻率是可變，也許達不到某些規(guī)定。 取樣積分電路檢測微小信號——運用取樣技術，在重復信號浮現(xiàn)期間取樣，并重復N次，則測量成果信噪比可改進倍，但是這種取樣效率低，不利于重復頻率信號恢復。 鎖相放大器檢測信號——鎖相放大器由信號通道、參照通道和相敏檢波器等構成，其中相敏檢波器（PSD）是鎖相放大器核心，PSD把從信號通道輸出被測交流信號進行相敏檢波轉換成直流，只有同頻同相時，輸出電流最大，具備較好檢波特性。適合測試信號頻率是指定且噪聲強，信號弱。十一、移相網(wǎng)絡設計移相網(wǎng)絡是鎖相放大器中一某些。 全通濾波器模仿移相電路——一階全通濾波器移相范疇接近180度，通過設計兩級濾波則可使移相范疇達到360度。且電路簡樸可靠。 采用數(shù)字移相辦法——數(shù)字移相可以在4個象限內進行0~89度調節(jié)，合起來即實現(xiàn)了0~360度移相，有集成芯片控制頻率和相位預值，如用CD4046鎖相環(huán)構成。但電路復雜，成本也很高。十二、運放型號選取 OPA2227——高精度、低噪音運算放大器，最低噪聲8nV/Hz，通屏帶寬8MHz，輸入電源范疇±2.5V~±18V，輸入偏置電流最大值100pA，輸入失調電壓最大值2mV。 OPA2340——單電源、軌到軌運算放大器，通頻帶5.5MHz,高轉換速率6V/us，低噪聲，低靜態(tài)電流750uA/channel. TLV2460——TLV2460帶掉電模式低功耗，軌到軌輸入/出運算放大器，?90mA輸出驅動能力，增益帶寬積6.4MHz，輸入噪聲電壓11nV/√Hz,輸入補償電壓100uV。（有關芯片：TL082——雙運算放大器，雙列8腳封裝，電源電壓±3V~±18V，通用J-FET雙運算放大器。特點：較低輸入偏置電壓和偏移電流，輸出設有短路保護，輸入級具備較高輸入阻抗，內建頻率補償電路，較高壓擺率，最大工作電壓Vmax=±18V。NE5532、SE5532、SA5532、SE5532A、NE5532A、SA553——是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器，相比較大多數(shù)原則運算放大器，能顯示出更好噪聲性能，提高輸出驅動和相稱高小信號和電源帶寬。適合應用在高品質和專業(yè)音響設備，儀器和控制電路和電話通信放大器，如果噪音非常重要，建議使用5532A板，它能保證噪聲電壓指標。）十三、聲響模塊 集成運放驅動揚聲器——可以使揚聲器獲得較大功率，為接受電路提供了以便，但缺陷是功耗過大，滿足不了題中低功耗規(guī)定。 三極管搭建互補放大電路——由于三極管導通壓降非常小，自身消耗功率幾乎可以不計，因此可以達到很高效率，同步電路具備較好功率放大效果，電路搭建簡樸以便且滿足低功耗。 模仿器件搭建一種信號發(fā)生電路——如自激電路，與邏輯門電路配合，在經(jīng)由三極管放大電路驅動揚聲器發(fā)聲，人為通過純電路產(chǎn)生某個可辨認信號，電路構造復雜，在接受模塊中又易受干擾，并且難度過大，接受模塊亦難辨認。 采用STC89C52單片機發(fā)生符合規(guī)定聲音信號，再通過三極管驅動揚聲器發(fā)聲。此方案靈活以便，電路和程序簡樸。十四、角度傳感器選取 MMA7361——是三軸小量程加速傳感器，是檢測物體運動和方向傳感器。它依照物體運動和方向變化自身輸出電壓值。如果物體沿著某個方向活動，或者受到重力作用，輸出電壓就會依照其運動方向以及設定傳感器敏捷度而輸出電壓，同步再用單片機A/D轉化器讀取此信號，就可以檢測其運動和方向。但是MMA7361是需要做成模塊，并且還需要將她固定到擺桿上，這對于安裝就有了一定難度，例如固定、重力問題、擺桿重心和慣性等問題需要考慮，這對于AD值得采集就有了不少誤差。 WDD35D-4角度傳感器——WDD35D-4本質上是一種大型號電位器其精度在0.1%，標稱阻值在0.5~10千歐之間，機械轉角可達360度，電氣旋角為330度，測量角度最大偏差為0.345度，旋轉角度傳感器轉軸時其阻值隨之變化，當轉軸轉動360度后，電阻值與旋轉前相等，一次，可通過讀取電阻值大小來計算旋轉角度，也可以運用ADC采樣將電阻值轉換為電壓值來判斷旋轉角度。由于WDD35D-4有轉軸，可直接與擺桿固定，擺桿所擺過角度就是轉軸轉過角度，這樣不但盡量小避免了擺桿與轉軸之間由于固定問題所導致誤差，也較好解決擺桿安裝問題。 采用增量式光電旋轉編碼器——光電旋轉編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸角度量，運用光電轉換原理轉換成相應電脈沖。旋轉編碼器具備體積小，精度高，工作可靠。接口數(shù)字化等長處。但是旋轉編碼器安裝較為不便，增長了系統(tǒng)硬件電路設計工作量。十五、角度傳感器固定 用膠管將電機轉軸與角度傳感器轉軸相連——選取膠管，膠管有一定摩擦因數(shù)，能讓角度傳感軸同步旋轉，但是膠管軟件兩軸連接某些不穩(wěn)定易錯位，當轉速過高會導致膠管斷裂，連接時不好固定。 用齒輪構造——齒輪構造是一種轉動構造，兩齒輪之間連接使得齒輪構造具備良好穩(wěn)定性和精準性。當電機轉速過高時這種構造精準性也不會減少，并且連接兩軸旋轉完全同步。十六、升降壓電路選取 采用BUCK電路與BOOST電路相結合組合電路——由單片機經(jīng)繼電器控制需要選取電路模式，交流電壓AC24V經(jīng)橋堆后電壓會變成不不大于24VDC。系統(tǒng)規(guī)定輸出電壓穩(wěn)定在36V，此時單片機經(jīng)由AD采集轉換判斷經(jīng)橋堆后電壓是不不大于36V還是不大于36V，當不大于36V時單片機通過繼電器選取BOOST升壓電路，反之選取BUCK電路。 直接使用BOOST——升壓電路可以通過開關管IRF540調節(jié)輸出電壓，開關管受AVR單片機產(chǎn)生PWM波經(jīng)由IR2104驅動IRF540通斷，輸出電壓U0=Uin*（D/(1-D)）公式中DPWMD占空比。BUCK電路：BOOST電路：十七、PFC控制電路選取 無源功率補償法——其基本原理是把具備容性功率負載裝置與感性功率負荷裝置并聯(lián)在同一電路中，當容性負荷釋放能量時，感性負荷吸取能量，而當感性負荷釋放能量時，容性負荷吸取能量。能量在兩種負荷中互換，感性負荷所吸取無源功率可從容性負荷輸出無功功率中得到補償。普通采用辦法是并聯(lián)電容法，但是由于無源功率補償其功率因數(shù)普通達到70%左右，不具備良好補償性。 有源功率因數(shù)校正，目在于改進電源輸出功率因數(shù)，減小輸入電流諧