紅外熱像儀光學測試系統(tǒng)中的轉靶控制畢業(yè)論文

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p>　　題 名： 紅外熱像儀光學測試系統(tǒng)中的轉靶控制 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p>

2、<p>　　學 院： 物理科學技術學院 </p><p>　　專 業(yè)： 電子科學與技術 </p><p>　　指導教師： XXX </p><p><b>　　2013年 5 月</b>

3、;</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要3</b></p><p><b>　　關鍵詞3</b></p><p>　　Abstract4</p><p>　　Keywords4</p><

4、p>　　第一章.紅外熱像儀與熱像儀光學測試系統(tǒng)介紹5</p><p>　　第一節(jié)紅外熱像儀5</p><p>　　一.紅外熱像儀成像原理5</p><p>　　二.紅外熱像儀系統(tǒng)的主要技術指標5</p><p>　　第二節(jié)熱像儀光學測試系統(tǒng)6</p><p>　　一.光學測試系統(tǒng)結構原理圖

5、6</p><p>　　二.光學測試系統(tǒng)主要功能7</p><p>　　三.檢測常用靶標7</p><p>　　第二章.轉靶功能設計9</p><p>　　第一節(jié)轉靶設計方案9</p><p>　　第二節(jié)圓形轉盤靶標10</p><p>　　第三節(jié)轉靶功能11</p

6、><p>　　一.開機回零11</p><p>　　二.靶位控制11</p><p>　　三.轉靶微調11</p><p>　　第三章.步進電機介紹12</p><p>　　第一節(jié)步進電機簡介12</p><p>　　第二節(jié)步進電機種類12</p><p&

7、gt;　　第三節(jié)步進電機工作原理13</p><p>　　第四節(jié)57兩相四線步進電機技術說明15</p><p>　　第五節(jié)步進電機驅動15</p><p>　　第六節(jié)L298驅動16</p><p>　　第四章.單片機19</p><p>　　第一節(jié)單片機簡介19</p><

8、;p>　　第二節(jié)單片機在控制中的作用19</p><p>　　第三節(jié)控制流程20</p><p>　　第四節(jié)單片機與PC機通訊21</p><p>　　一.PC機操控軟件界面21</p><p>　　二.操控軟件源程序21</p><p>　　第五章.功能實現(xiàn)22</p>&

9、lt;p>　　第一節(jié)功能電路22</p><p>　　第二節(jié)程序算法22</p><p>　　第三節(jié)仿真結果24</p><p>　　第四節(jié)PCB電路圖26</p><p>　　第五節(jié)實驗結果與分析26</p><p><b>　　致謝28</b></p>

10、<p><b>　　參考文獻29</b></p><p>　　附錄一 （下位機程序）30</p><p>　　附錄二 （上位機程序）39</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設計研究的是紅外熱像儀光學測試系統(tǒng)中的轉靶控制部分，主要利用51單片機、步進

11、電機、電機驅動、圓盤轉靶等器件，并結合所學專業(yè)知識設計模擬光學測試系統(tǒng)中轉靶在實際工作中的靶位更換控制、靶位微調控制功能。同時在設計中盡可能地提高控制精度，使其能達到設備的精度要求，最終把它運用到實際生產中去。其目的是使轉靶控制自動化智能化，達到節(jié)約工作時間，提到工作效率的效果。</p><p><b>　　關鍵詞</b></p><p>　　熱像儀、轉靶、單片機、步

12、進電機、電機驅動、PC機通訊</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design studies the target control part of Infrared thermal imaging optical test system, combined with the learned professional k

13、nowledge. This control part consists of the 51Single chip, Stepping motor, Stepping motor driver and Turn-round target. With the basic professional knowledge, this paper makes a model on the design of the adjust control

14、and the function of the target in the Infrared thermal imaging optical test system. At the same times, trying to improve control accuracy as much a</p><p><b>　　Keywords</b></p><p>　　

15、Infrared Thermal Imager, Turn round target, 51Single chip, Stepping motor , stepping motor driver </p><p>　　紅外熱像儀與熱像儀光學測試系統(tǒng)介紹</p><p><b>　　紅外熱像儀</b></p><p><b>　　

16、紅外熱像儀成像原理</b></p><p>　　紅外熱成像系統(tǒng)可將物體自然發(fā)射的紅外輻射轉變成可見的熱圖像，使人眼視覺范圍擴展到中波、長波紅外波段。</p><p>　　溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號，成像裝置的輸出的就可以完全一一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經電子系統(tǒng)處理后傳至顯示屏上，得

17、到與物體表面熱分布相應的熱像圖。</p><p>　　紅外熱像儀是利用紅外探測器、 光學成像物鏡和光機掃描系統(tǒng)接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，在光學系統(tǒng)和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構對被測物體的紅外熱像儀進行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉換電信號，經放大處理、轉換為標準視頻信號通過電視屏或監(jiān)測器顯示紅外熱像圖。</p><p>

18、　　簡而言之，紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外熱量，并將其轉換生成熱圖像和溫度值，進而顯示在顯示器上，并可以對溫度值進行計算的一種檢測設備。</p><p>　　紅外熱像儀系統(tǒng)的主要技術指標</p><p><b>　　1）視場</b></p><p>　　視場是光學系統(tǒng)視場角的簡稱.即物體能在熱像儀中成像的物空間的最大張角叫做視場， 一般是矩形

19、視場。</p><p><b>　　2）光譜響應</b></p><p>　　紅外探測器對各個波長的入射輻射的響應稱為光譜響應。一般的光電探測器均為選擇性的探測器。</p><p><b>　　3）空間分辨率</b></p><p>　　應用熱像儀觀測時，熱像儀對目標空間形狀的分辨能力。本行業(yè)中通常

20、以mrad(毫弧度)的大小來表示。mrad的值越小，表明其分辨率越高?；《戎党艘园霃郊s等于弦長，即目標的直徑。</p><p>　　4）噪聲等效溫差（NETD）</p><p>　　用紅外成像系統(tǒng)觀察標準試驗圖案，當紅外成像系統(tǒng)輸出端產生的峰值信號與均方根噪聲電壓之比為1時的目標與背景之間的溫差，稱為噪聲等效溫差。</p><p><b>　　5）最小可分

21、辨溫差</b></p><p>　　分辨靈敏度和系統(tǒng)空間分辨率的參數,而且是以與觀察者本身有關的主觀評價參數,它的定義為：在使用標準的周期性四桿靶(即高寬比為 7：1的4帶條圖情況下)， 觀察人員可以分辨的最小目標、背景溫差。</p><p>　　6）傳遞函數（MTF）</p><p>　　它能客觀的反映出成像系統(tǒng)的成像質量。這是目前分析鏡頭的解像力跟反

22、差再現(xiàn)能力使用比較科學的方法。</p><p>　　要檢驗紅外熱像儀的性能是否達到各項技術指標要求，就得通過熱像儀光學測試系統(tǒng)來測量。</p><p><b>　　熱像儀光學測試系統(tǒng)</b></p><p>　　光學測試系統(tǒng)結構原理圖</p><p>　　圖表 1光學測試系統(tǒng)結構原理圖</p><p&

23、gt;　　本系統(tǒng)主要由目標黑體、背景黑體、反射型靶標、光學鏡（包括主鏡和次鏡）、溫差靶測控系統(tǒng)、圖像數據采集系統(tǒng)、計算機測控系統(tǒng)組成。其中反射型靶標就是我們被測熱像儀的成像目標，也是本文研究的重點。</p><p>　　光學測試系統(tǒng)主要功能</p><p>　　目標黑體給反射型靶標傳遞熱量，反射型靶標發(fā)出的紅外光線的強度會隨著靶標的熱量變化而變化。反射型靶標包括四桿靶陣列，四桿靶，圓靶，點

24、靶，線靶等，在實際測量工作中測量熱像儀系統(tǒng)的不同指標時需要用到不同類型的靶標，所以具體所用靶標要根據檢測項目而定。</p><p>　　光學鏡由主鏡和次鏡組成，主鏡是一面凹透鏡，次鏡是一面平面鏡，反射型靶標的位置則是處在光學鏡組的焦點上，因此反射型靶標發(fā)出的紅外線通過次鏡反射到凹透鏡上，經凹透鏡反射后紅外光線可以近似平行地射出系統(tǒng)，從而為被測熱像儀模擬了一個遠距離目標。</p><p>　

25、　溫差靶測試系統(tǒng)、圖像數據采集系統(tǒng)、計算機測控系統(tǒng)是此測試系統(tǒng)的重要組成部分，是完成溫度測控、視頻數據采集、數據分析計算處理的核心部分。計算機測控系統(tǒng)可以從溫差靶測試系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)獲取數據，并對獲取的數據進行相應的分析計算處理，最終計算出熱像儀系統(tǒng)的各項技術指標值，同時也可以對這兩個系統(tǒng)發(fā)出指令讓它們完成指定的控制。</p><p><b>　　檢測常用靶標</b></p>

26、<p>　　根據熱像儀系統(tǒng)的主要技術指標，在對不同技術指標進行測量時也需要利用不同的靶標，常用到的靶標有四桿靶陣列，四桿靶，圓靶，點靶，線靶等。</p><p>　　例如在測量熱像儀的MRTD（最小可分辨溫差）時，需要用四桿靶陣列作為目標，四桿靶陣列是由多個不同空間頻率的四桿靶組成，如下圖所示。</p><p><b>　　圖表 2</b></p&g

27、t;<p>　　檢測NETD（噪聲等效溫差）時，需要用到四桿靶和圓靶，四桿靶用于等效整列長度矯正，圓靶用于測量Sitf函數，最后再測量NETD。靶標如下圖所示：</p><p>　　圖表 3四桿靶 圖表 4圓靶</p><p>　　檢測MTF（信號傳遞函數）需要利用線靶，測量視場大小時需要利用點靶，靶標如下圖

28、所示。</p><p>　　圖表 5線靶 圖表 6點靶</p><p><b>　　轉靶功能設計</b></p><p><b>　　轉靶設計方案</b></p><p>　　在實際工作中，利用紅外光學測試系統(tǒng)（參考圖表

29、1）檢測紅外熱像儀的各項性能參數時，需要利用到不同類型的目標靶，所以在測試中靶標更換頻繁，為了節(jié)省更換靶標的時間，提高工作效率，通常是把測試中需要用到的靶標同時安裝在一個可以沿中心軸轉動的圓盤上，安裝靶標的為止成為靶位，這個裝有靶標的圓盤成為圓盤轉靶，簡稱轉靶，這樣就可以通過轉動轉靶的方式更換靶標。</p><p>　　目前通用光學測試系統(tǒng)中的轉盤靶標上可以安裝5個不同類型的靶標，更換靶標的方式是手動轉動圓盤轉靶

30、，把要用到的靶標轉到光學鏡組的焦點上，這樣做雖然節(jié)省了靶標安裝和拆卸的工作，但利用手動的方式轉動轉靶還是不夠方便，而且轉動的角度精度不能保證，可能會因人而異，對測試的穩(wěn)定性會有一定的影響。</p><p>　　為了進一步減少在測試中的工作量，節(jié)約檢驗時間，消除人為因素對測試的影響，保證轉動角度的控制精度，提出了改進方案，設計一個小型的自動化系統(tǒng)，利用操控按鈕或PC操控制軟件實現(xiàn)轉靶轉動的精確控制，控制按鈕和PC機

31、操控軟件的功能有需要達到兩個效果，一、使轉靶轉動特定的角度，完成靶位的更換；二、實現(xiàn)轉靶微調，是轉靶小角度轉動。</p><p>　　步進電機是將脈沖信號轉換為角位移或線位移的一種電機，而且控制精度較高可達到5%以內。57步進電機的步進角為1.8°，額定功耗較低，控制精度較高，控制誤差不差過0.09°，驅動力足以滿足本設計的設計要求，所以本設計采用57步進電機作為此設計系統(tǒng)的動力機構帶動轉靶的

32、轉動。而要使步進電機達到自動化控制的要求，我們還得選擇一個控制步進電機的微機控制單元，這個控制單元可以用PC機、單片機、FPGA芯片等，但相對來說單片機的成本較低，使用編程方便，其功能也足以實現(xiàn)本設計的要求，而在常用的單片機中AT89S52單片機最為常用，性價比最高，所以本設計選AT89S52單片機作為微機控制單元，同時PC機可以與單片機通訊，達到單片機與PC機共同控制的目的。</p><p>　　轉靶控制方法和

33、流程如下：</p><p>　　圓形轉靶盤的控制精度取決程序控制和機械連接兩個方面，要保證轉靶的控制精度就必須的保證機械連接精度和編程控制的準確性。</p><p><b>　　圓形轉盤靶標</b></p><p>　　本設計把整個圓盤平均劃分為了五個部分，每一份所占的圓心角為72°，并對其命名，按逆時針方向分別命名為靶位1、靶位2、

34、靶位3、靶位4、靶位5、。原理圖如下所示：</p><p><b>　　圖表 7</b></p><p><b>　　圓盤轉靶示意圖</b></p><p>　　上圖中大圓表示轉盤，大圓內的五個小圓是目標靶的安裝位置。安裝上各種目標靶后的效果如下圖所示：</p><p><b>　　圖表

35、8</b></p><p><b>　　實際靶標安裝圖</b></p><p><b>　　轉靶功能</b></p><p>　　設置5個按鈕作為靶位控制按鈕，并對其編號，使之與靶標相對應；其次還設計了兩個按鈕作為轉靶微調控制按鈕，分別是控制順時針微調和逆時針微調。</p><p>&l

36、t;b>　　開機回零</b></p><p>　　當系統(tǒng)上電時，步進電機帶動轉靶進行順時針轉動，當檢測到1號靶位轉到圖表 1中光學鏡組的焦點處時，步進電機停止轉動，等待命令。此時1號靶位所在位置就是轉靶的零位。</p><p>　　回零功能可以確保每次開機后，我們的1號靶位能到達光學鏡組的焦點處，確保了測試精度，同時可以減小對其他號靶位的控制誤差。</p>

37、<p><b>　　靶位控制</b></p><p>　　本電路中有7個按鈕，其中有五個是用來控制靶位的，分別命名為靶位按鈕1、靶位按鈕2、靶位按鈕3、靶位按鈕4、靶位按鈕5，靶位按鈕1至靶位按鈕5分別與1號靶位至5靶位對應。</p><p>　　按鈕的功能是，無論光學鏡組焦點處是何靶位，當按下靶位按鈕時，這個靶位按鈕所對應的靶標就會自動轉到光學鏡組的焦點處

38、，實現(xiàn)靶標的更換，同時數碼管上會顯示當前靶位的號數。例如此時2號靶標處在光學鏡組的焦點上，數碼管顯示2，現(xiàn)在按下靶位按鈕5，那么5號靶會自動轉到光學鏡組的焦點上，數碼管顯示會由2變成5。按下其它靶位按鈕也是同理。</p><p><b>　　轉靶微調</b></p><p>　　其余兩個按鈕是用于做轉靶微調的，一個是順時針微調叫按鈕wts ，另一個是逆時針微調叫按鈕w

39、tn 。當按下按鈕wts時，轉靶會向順時針方向轉7.2°；按下按鈕wtn時，轉靶會向逆時針方向轉7.2°</p><p>　　轉靶微調主要是在利用四桿靶整列作為測試目標時，比較常用。</p><p><b>　　步進電機介紹</b></p><p><b>　　步進電機簡介</b></p>

40、<p>　　步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件。步進電動機的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應的增量位移或步進運動。正常運動情況下，它每轉一周具有固定的步數；做連續(xù)步進運動時，其旋轉轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。</p><p><b>　　步進電機種類</b></p><p>　　通常按勵磁方

41、式分為三大類：</p><p>　?。?）反應式（VR)： </p><p>　　轉子為軟磁材料，無繞組，定、轉子開小齒、步距小。應用最廣。</p><p>　　（2）永磁式（PM）： </p><p>　　轉子為永磁材料，轉子的極數＝每相定子極數，不開小齒，步距角較大，力矩較大。</p><p>　?。?）混合式（Ｈ

42、B）：</p><p>　　轉子為永磁式、兩段，開小齒，混合反應式與永磁式優(yōu)點：轉矩大、動態(tài)性能好、步距角小。但結構復雜，成本較高。</p><p>　　常用的步進電機以混合式步進電機為主。</p><p><b>　　圖表 9</b></p><p>　　兩相四線型 兩相六線型 兩相

43、五線型 四相八線型</p><p><b>　　步進電機工作原理</b></p><p><b>　　圖表 10</b></p><p>　　三相反應式步進電動機的結構示意圖</p><p>　　1——定子 2——轉子 3——定子繞組</p><p>　　上圖

44、是最常見的三相反應式步進電動機的剖面示意圖。電機的定子上有六個均布的磁極，其夾角是60º。各磁極上套有線圈，按圖連成A、B、C三相繞組。轉子上均布40個小齒。所以每個齒的齒距為θE=360º/40=9º，而定子每個磁極的極弧上也有5個小齒，且定子和轉子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉子的小齒數目分別是30和40，其比值是一分數，這就產生了所謂的齒錯位的情況。若以A相磁極小齒和轉子的小齒對齊，如上圖，那么B相

45、和C相磁極的齒就會分別和轉子齒相錯三分之一的齒距，即3º。因此，B、C極下的磁阻比A磁極下的磁阻大。若給B相通電，B相繞組產生定子磁場，其磁力線穿越B相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉子受到反應轉矩（磁阻轉矩）的作用而轉動，直到B磁極上的齒與轉子齒對齊，恰好轉子轉過3º；此時A、C磁極下的齒又分別與轉子齒錯開三分之一齒距。接著停止對B相繞組通電，而改為C相繞組通電，同理受反應轉矩的作用，轉子按順時針方向再轉

46、過3º。依次類推，當三相繞組按A→B→C→A順序循環(huán)通電時，轉子會按順時針方向，以每個通電脈沖轉動3º的規(guī)律步進式轉動起來。若改變通電順序，按A→C→B→A順序循環(huán)通</p><p>　　θb=360º/NEr (1)</p><p>　　式中 Er——轉子齒數；</p><p>　　N——運行拍數，N=km，m為步進電動機的繞組相數，

47、k=1或2。</p><p>　　兩相四線步進電機的工作原理也是同理，只是它只有A、B兩相，有四根引線，它們分別是A、B、A’、B’。</p><p>　　本設計使用的就是這種兩相四線的57步進電機，這種電機是50齒的，步進角為1.8°。此步進電機的勵磁方式也有三種：1相勵磁、2相勵磁和1-2相勵磁。只要改變電機的勵磁方式就可以改變電機的轉向。</p><p&

48、gt;<b>　?。?）1相勵磁</b></p><p>　　1相勵磁方式是在任何時間，只有一組線圈被勵磁，其他線圈在休息，因此產生的力矩較小，耗電少，但震動較大。這種勵磁方式最簡單，其A、B、A’、B’組信號依次為：</p><p>　　1000→0100→0010→0001→1000（電機正轉）</p><p>　　1000→0001→00

49、10→0100→1000（電機反轉）</p><p><b>　?。?）2相勵磁</b></p><p>　　2相勵磁方式是任何時間，都有兩組線圈同時被勵磁，因此產生的力矩比1相勵磁大，耗電少，震動小。這種勵磁方式也比較簡單，其A、B、A’、B’組信號依次為：</p><p>　　1100→0110→0011→1001→1100（電機正轉）&l

50、t;/p><p>　　1100→1001→0011→0110→1100（電機反轉）</p><p><b>　?。?）1-2相勵磁</b></p><p>　　1-2相勵磁方式又稱為半步勵磁，1相和2相輪流交替導通，每個勵磁信號只驅動半步，其分辨率高，運動平滑。這種勵磁方式下A、B、A’、B’組驅動信號依次為：</p><p&g

51、t;　　1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000（電機正轉）</p><p>　　1000→1001→0001→0011→0010→0110→0100→1100→1000（電機反轉）</p><p>　　給步進電機一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。轉子轉一步所轉的角度稱為步矩角，這種勵磁方式的的步矩角為0.9°。

52、本設計使用的勵磁就是1-2相勵磁。</p><p>　　57兩相四線步進電機技術說明</p><p><b>　　軸徑：8mm </b></p><p><b>　　機身長度：76mm</b></p><p><b>　　軸長：21mm</b></p><p

53、>　　法蘭：56.4mm*56.4mm</p><p><b>　　重量：1250g</b></p><p><b>　　圖表 11</b></p><p><b>　　步進電機驅動</b></p><p>　　步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專

54、用的步進電動機驅動器，如下圖所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。驅動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口。</p><p>　　圖表 12步進電動機驅動控制器</p><p><b>　　L298驅動</b></p><p>　　L298N是SG

55、S公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V以下的電機。</p><p>　　其實物及引腳圖如下所示：</p><p><b>　　圖表 13</b></p><p><b>　　實物圖</b></p&

56、gt;<p><b>　　圖表 14</b></p><p><b>　　管腳圖</b></p><p><b>　　圖表 15</b></p><p><b>　　L298內部原理圖</b></p><p>　　其中ENA和ENB分別為IN

57、1、IN2和IN3、IN4的使能端，只有使能端接高電平時芯片才能正常驅動電機的運轉。</p><p>　　L298功能描述（注：驅動電源為12V）</p><p><b>　　單片機</b></p><p><b>　　單片機簡介</b></p><p>　　單片機是一種集成電路芯片。它采用超大規(guī)模

58、技術將具有數據處理能力的微處理器(CPU)、存儲器（含程序存儲器ROM和數據存儲器RAM）、輸入、輸出接口電路(I/O接口)集成在同一塊芯片上，構成一個即小巧又很完善的計算機硬件系統(tǒng)，在單片機程序的控制下能準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。</p><p>　　不同的單片機有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機芯片的內部結構，用戶要使用某種單片機，必須了解該型

59、產品是否滿足需要的功能和應用系統(tǒng)所要求的特性指標。這里的技術特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產廠商的技術手冊中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們熟悉的單片機的尋址方式，數據處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件(包含可支持開發(fā)應用程序的軟件資源)及硬件資源。</p><p>　　單片機控制系統(tǒng)能夠取代

60、以前利用復雜電子線路或數字電路構成的控制系統(tǒng)，可以以軟件控制來實現(xiàn)，并能夠實現(xiàn)智能化，現(xiàn)在單片機控制范疇無所不在，，單片機的應用領域越來越廣泛。</p><p>　　單片機種類繁多，性能與價格也各不相同，在眾多的單片機中AT89S52單片機最為常用，其價格低廉，功能齊全，針對本設計性價比較高。</p><p>　　單片機在控制中的作用</p><p>　　當系統(tǒng)上電

61、，系統(tǒng)開始工作，單片機給步進電機發(fā)送驅動信號，使步進電機開始轉動，同時檢測是否有回零信號，當它檢測到有回零信號時，就停止發(fā)送驅動信號，步進電機停止轉動，此時回零工作結束。</p><p>　　回零完成后，單片機的主要工作是等待操控信號，當檢測到有按鍵按下后，則需要判斷出當前按下鍵的鍵值，并結合當前轉靶的狀態(tài)計算出操控者意圖，然后根據計算結果單片機將向步進電機發(fā)送與之相對應的驅動信號，促使步進電機完成操控者預想實現(xiàn)

62、的控制，驅動信號發(fā)送完畢后，單片機再次回到等待的狀態(tài)，就這樣循環(huán)等待，承擔著檢測按鍵按下和發(fā)送驅動信號的任務。</p><p><b>　　控制流程</b></p><p>　　當回零工作完成后，單片機就開始等待操控按鍵的按下，例如現(xiàn)在檢測到3號靶位按鈕按下，而當前光學鏡組焦點上是1號靶位，所以單片機計算得出，步進電機要順時針轉動兩個靶位的角度（2×72&#

63、176;），此時單片機會向步進電機發(fā)送與之相對應的脈沖信號，驅使步進電機轉動，使3號靶位轉到焦點處。驅動信號執(zhí)行完畢單片機再次回到等待狀態(tài)，等待下一個操控按鈕按下。</p><p><b>　　單片機與PC機通訊</b></p><p>　　操控命令不僅可以通過按鈕發(fā)出，還可以由PC機發(fā)出。我們通過軟件編程的方式，在PC機上編寫一個操控軟件（上位機），利用RS323串

64、口通訊與單片機（下位機）建立通訊聯(lián)系，從而使PC機與單片機能夠相互通訊，最總達到按鈕和操控軟件可以同時對轉靶控制的效果。</p><p><b>　　PC機操控軟件界面</b></p><p><b>　　圖表 16</b></p><p>　　界面上的5個靶位按鈕和兩個微調按鈕都是與硬件電路中的靶位按鈕和微調按鈕對應的，

65、作用和效果也都一樣。除了這7個按鈕外，還有一個“打開串口”是用來打開串口，建立PC機與單片機通訊的；一個接受數據區(qū)是用來接受單片機的反饋操控結果信息的；“清空接收區(qū)”按鈕用于清空接收區(qū)的內容；“取消”按鈕用于關閉該操控軟件。</p><p><b>　　操控軟件源程序</b></p><p>　　此操控軟件是在VC++6.0編程環(huán)境下編寫的，主要運用了MFC中的按鈕控

66、件、編輯框控件、通訊控件等。具體程序參考附錄二。</p><p><b>　　功能實現(xiàn)</b></p><p><b>　　功能電路</b></p><p>　　Proteus7仿真軟件是目前使用非常廣泛的一種，仿真方便，仿真結果非常直觀的一種電路仿真軟件。</p><p>　　根據轉靶控制的設計要

67、求，在Proteus軟件中得到的主要電路如下圖所示：</p><p><b>　　圖表 17</b></p><p>　　本電路主要有1塊AT89C52單片機芯片、1塊L298芯片、8個按鈕、 一個數共陽極數碼管，一個示波器組成。</p><p>　　P0口與數碼管的a、b、c、d、e、f、g、h 管腳連接，8個控制按鈕分別與P2.0—P2.7

68、連接，與P1.7、P1.6、P1.5、P1.4分別和L298的IN1、IN2、IN3、IN4連接，L298的OUT4、OUT3、OUT2、OUT1作為輸出端，在實際電路中與步進電機的四條線相接。</p><p>　　8個按鈕，從上至下分別是靶位按鈕1、靶位按鈕2、靶位按鈕3、靶位按鈕4、靶位按鈕5、順時針微調按鈕wts、逆時針微調按鈕wtn、回零模擬按鈕。</p><p><b>

69、;　　程序算法</b></p><p>　　57步進電機的步進角為1.8°，本程序采用1-2相勵磁控制方式，1-2相勵磁方式又稱為半步勵磁，1相和2相輪流交替導通，每個勵磁信號只驅動半步，即0.9°。這種勵磁方式下A、B、A’、B’組驅動信號依次為：</p><p>　　1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000

70、（電機正轉）</p><p>　　1000→1001→0001→0011→0010→0110→0100→1100→1000（電機反轉）</p><p>　　驅動信號完成一個周期，步進電機轉過的角度為7.2°。所以轉靶要實現(xiàn)一個相鄰靶位的轉動，則需要向步進電機發(fā)出10個周期的啟動信號。</p><p>　　要實現(xiàn)轉靶設計的具體功能，則必須對單片機進行編寫對應

71、的功能程序，程序的算法流程圖如下所示：</p><p>　　本算法與功能設計相對應，上電后，系統(tǒng)開始工作，首先完成回零工作，只有回零工作完成才允許進行下一步的工作；回零完成后開始等待操控按鈕按下，如果檢測到有按鈕按下，則需要判斷是哪一個按鈕按下，判斷出按鈕后，按后計算當前需要進行的操作，根據計算結果對步進電機發(fā)出相應的操作命令，完成與當前按鈕相對應的操控。具體程序請參考附錄一。</p><p&

72、gt;<b>　　仿真結果</b></p><p>　　把編寫的功能程序下載到AT89S52單片機中，在Proteus軟件中對圖表 17中的電路進行功能仿真，仿真的結果如下：</p><p>　　1.開機回零四路信號的波形</p><p><b>　　圖表 18</b></p><p>　　轉盤靶標

73、開始回零，四路脈沖信號開始輸入，轉盤靶標開始順時針轉動，檢測回零信號，但還未完成回零的仿真圖，LED無任何顯示。</p><p><b>　　圖表 19</b></p><p>　　檢測到回零信號，回零完成，LED數碼管全亮，四路脈沖信號消失，轉盤停止轉動，此時，處在光學鏡組焦點處的靶是1號靶。</p><p>　　2.按下2號靶位按鈕的仿真情

74、況</p><p><b>　　圖表 20</b></p><p>　　當檢測到2號靶位按鈕按下，四路信號有信號輸出，使轉盤靶標順時針轉動72°，使2號靶位轉到光學鏡組的焦點上，同時LED數碼顯示為2.</p><p>　　3.按下4號靶位按鈕的仿真情況</p><p><b>　　圖表 21<

75、/b></p><p>　　轉盤靶標順時針轉動，使4號靶位轉到光學鏡組焦點上，數碼管顯示為4.</p><p>　　4.按下3號按鈕時的仿真情況</p><p><b>　　圖表 22</b></p><p>　　轉盤靶標逆時針轉動，3號靶位轉到光學鏡組焦點上，數碼管由4變成3.其他靶位也是同理，在此就不一一贅述。

76、</p><p>　　通過多次仿真，仿真結果與功能設計相符，本電路基本能實現(xiàn)轉靶設計的功能要求。</p><p><b>　　PCB電路圖</b></p><p>　　根據圖表 17中的電路圖，得到如下的PCB板圖：</p><p><b>　　圖表 23</b></p><p&

77、gt;　　圖中原件名稱與實物對應關系如下：</p><p>　　U1～AT89S52 U2～LED數碼顯示 S1…S5～五個靶位按鈕 </p><p>　　wtn、wts～兩個微調按鈕(逆時針微調和順時針微調)。</p><p>　　PCB板的制作對本實驗是至關重要的環(huán)節(jié)，它是實現(xiàn)從軟件仿真到實際功能實現(xiàn)轉變的橋梁，也是決定實驗成敗的最關鍵因素之一。&l

78、t;/p><p><b>　　實驗結果與分析</b></p><p>　　跟據圖表 22 PCB板圖制作出實際的PCB板，并根據圖表 17電路圖中各元件參數選擇對應的器件，完成元器件的焊接工作，最終制作出功能電路板。</p><p>　　首先把轉靶安裝到步進電機上，接下來把步進電機與電路板連接，給電路板上電，完成功能結果測試，測試結果如下：<

79、/p><p><b>　　1.回零測試</b></p><p>　　給系統(tǒng)上電后，轉靶開始轉動，當1號靶位轉到零位置時，轉靶停止轉動，同時數碼管全亮，說明系統(tǒng)的回零功能已經實現(xiàn)。把1號轉靶轉到其他位置后斷電，接著再次上電，1號轉靶再次轉到了零位置，成功地完成了回零功能，多次重復上電的過程，一號靶位依然能很準確地回到零位置，這說明控制系統(tǒng)回零的性能很穩(wěn)定。</p>

80、;<p><b>　　2.功能測試</b></p><p>　　回零完成后，按下2號靶位按鈕，轉靶順時針轉動了一個靶位的角度，2號靶位轉到了零位置，數碼管顯示變?yōu)?；接下來按下3號靶位按鈕，轉靶又順時針轉動了一個靶位的角度，3號靶位轉到了零位置，數碼管顯示變?yōu)?；接著按下4號靶位按鈕，轉靶又順時針轉動了一個靶位的角度，4號靶位轉到了零位置，數碼管顯示變?yōu)?；按下5號靶位按鈕，轉

81、靶又順時針轉動了一個靶位的角度，5號靶位轉到了零位置，數碼管顯示變?yōu)?；接著按下3號靶位按鈕，轉靶逆時針轉動，3號靶位轉到了零位置，數碼管顯示3，按下1號靶位按鈕，轉靶逆時針轉動，1號靶位回到零位置，如此對每一個按鍵靶位控制按鈕反復按下，與按鈕相對應的靶位都能轉到零位置，數碼管也會顯示與之對應的靶位號。</p><p><b>　　3.微調測試</b></p><p>

82、;　　回零完成后，按下順時針微調按鈕，轉靶向順時針方向轉了一個小角度，連續(xù)按下順時針微調按鈕10次，數碼管顯示2，此時2號靶位轉到了零位置，此時按下2號靶位按鈕，轉靶不動；此時接著按下順時針按鈕3次，然后再按下5號靶位按鈕，轉靶順時針轉動，5號靶位轉到了零位置；此時按下逆時針微調按鈕，連續(xù)按下10次，4號轉靶轉到了零位，數碼管顯示4；</p><p>　　通過反復多次測試，實際的轉靶完全能實現(xiàn)本設計的各項功能要求

83、，而且轉靶的各項控制性能都很穩(wěn)定，沒有任何異常情況；試驗結果成功地實現(xiàn)了本設計預期的功能要求，本設計結果得到了導師的認可和好評，同時自己在完成本設計的過程共也是收獲累累，通過查閱資料讓我學到了很多關于步進電機、單片機編程、電路板制作等的專業(yè)知識。</p><p>　　本設計雖然基本功能已經實現(xiàn)，但是離實際運用還存在很大的差距，還有很多機械構造和系統(tǒng)控制的知識有待學習，所以我會在今后的工作中繼續(xù)學習相關的專業(yè)知識，

84、不斷進取，學以致用最終讓這個設計能運用到實際的光學測試系統(tǒng)中去。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本畢業(yè)設計的設計思想起源于本人在昆明北方紅外技術股份公司實習的一段經歷。完成本設計主要經歷了發(fā)現(xiàn)問題、向公司領導提出解決問題方案、與導師討論設計方案、最終確定設計方向和方案、親自動手完成整個設計的全部功能、完成畢業(yè)論文的撰寫等幾個主要的過程。

85、在完成設計的整個過程中遇到過很多自身難以解決的問題，有過徘徊的時候，也有過迷茫的時候，但是每當我運到困難時，xx老師都會給予我耐心的指導，陪同我一起思考問題的解決方案，直到把問題逐一解決；當我獲得一點點成就自滿的時候x老師總會勉勵自己繼續(xù)往前深入下去，做到精益求精。所以在此特別感謝x老師給予的幫助和指導，感謝x老師與我們一起并肩作戰(zhàn)，在最短的時間高效率地完成了本設計的全部內容。</p><p>　　在此也感謝昆明

86、北方紅外技術股份公司的各位領導給予了我設計靈感和一些建議。感謝xx同學在實驗過程中給予我?guī)椭兄x你們給我提出了改進設計方案的建議。感謝李繼承同學在PC機通訊上位機編程方面給我的幫助和啟迪，讓我在很短的時間里實現(xiàn)了PC機與單片機通訊的功能。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張錚主編. 單片機與嵌入式系統(tǒng)基礎與實訓[M]. 1.

87、 清華大學出版社, 2011-10-1.</p><p>　　[2] 王曉明. 電動機的單片機控制[M]. 第三版. 北京航空航天大學出版社, (2011-03.</p><p>　　[3] 趙茂泰. 智能儀器原理及原理[M]. 第三版. 北京:電子工業(yè)出版社, 2009-3.</p><p>　　[4] 邸旭, 楊進華. 微光與紅外成像技術[M]. 1. 北京:機

88、械工業(yè)出版社, 2012-2.</p><p>　　[5] 白廷柱, 金偉其. 光電成像原理與技術[M]. 第一版. 北京:北京理工大學出版社, 2010-2.</p><p>　　[6] 唐國棟, 高云國. 基于L297/L298芯片步進電機的單片機控制[D]. 中文核心期刊, 2006-12.</p><p>　　[7] 張勁. 利用AT89S52單片機控制步進

89、電機[D]. 常州工程職業(yè)技術學院, 2008-12.</p><p>　　[8]劉國永.陳杰平.單片機控制步進電機系統(tǒng)設計[D].安徽技術師范學院學報.2002-04</p><p>　　[9]陳興文.劉燕.基于單片機控制步進電機細分驅動的實現(xiàn)[D].機械設計與制造.2005-12</p><p>　　附錄一 （下位機程序）</p><p&g

90、t;<b>　　Keil 51程序</b></p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　sbit w1=P2^0; // 1號

91、靶位</p><p>　　sbit w2=P2^1; // 2號靶位</p><p>　　sbit w3=P2^2; // 3號靶位</p><p>　　sbit w4=P2^3; // 4號靶位</p><p>　　sbit w5=P2^4; // 5號靶位</p><p>　　sbit h0=P2^

92、7; // 回零</p><p>　　sbit wts=P2^5; // 順時針微調</p><p>　　sbit wtn=P2^6; // 逆時針微調</p><p>　　unsigned char Rxbuf; //接收緩存</p><p>　　uchar code tab[]={0x90,0x80,0xc0,0x40,

93、0x60,0x20,0x30,0x10}; //正轉驅動信號表</p><p>　　uchar code tab1[]={0x90,0x10,0x30,0x20,0x60,0x40,0xc0,0x80}; //反轉驅動信號表</p><p>　　uchar code tab3[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,</p><p>　　0x99,0x92,

94、0x82,0xf8,</p><p>　　0x80,0x90,0x88,0x83,</p><p>　　0xc6,0xa1,0x86,0x8e}; //數碼管顯示段碼表(共陽) </p><p>　　uchar code tab2[]=</p><p>　　{ 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,</p><

95、p>　　0x66,0x6d,0x7d,0x07,</p><p>　　0x7f,0x6f,0x77,0x7c,</p><p>　　0x39,0x5e,0x79,0x71</p><p>　　};//數碼管顯示段碼表(共陰) */</p><p>　　//---初始化-----------------------------------

96、----------</p><p>　　void Init(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD=0x20; //T1=方式2/8bit重裝</p><p>　　//T1 波特率設置</p><p>　　TR1=1; //</p&

97、gt;<p>　　TL1=TH1=0xfd; //9600bps/11.0592MHz </p><p><b>　　//串口設置</b></p><p>　　SCON=0x50; //方式1/REN=1</p><p>　　PCON=0x00;</p><p><b>　　ES=1;</

98、b></p><p><b>　　//總中斷開 </b></p><p>　　EA=1; //使用時開</p><p><b>　　} </b></p><p>　　//--串口中斷--------------------------------------------<

99、;/p><p>　　void serial(void) interrupt 4</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(RI==1) </p><p><b>　　{RI=0;</b></p><p>　　Rxbuf=SBUF; //保存</

100、p><p>　　//將接收到的數據直接轉發(fā)給電腦</p><p>　　SBUF=Rxbuf; //發(fā)送</p><p>　　while(TI==0);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p><b>　　} </b></p><p&

101、gt;<b>　　} </b></p><p>　　void delay()//延時程序</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　long j;</b></p><p>　　for(j=0;j<200;j++);//通過修改延時參數可以調

102、節(jié)步進電機轉動的速度</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delayms(unsigned int k) //消抖動延時程序</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int i,j;</p><p>

103、　　for(i=k;i>0;i--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void zhengzhuan(int k) //正轉子程序，每調用一次步進電機順時針轉72°</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int

104、i,j;</p><p>　　for(i=0;i<k;i++)</p><p>　　for(j=0;j<8;j++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=tab[j];</p><p>　　delay(); </p><p>&l

105、t;b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void fanzhuan(int k)// 反轉子程序，每調用一次步進電機逆時針轉72°</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int i,j;

106、</p><p>　　for(i=0;i<k;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(j=0;j<8;j++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=tab1[j];</p><

107、p>　　delay(); </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void wzhengzhuan() // 微調正轉子程序，每調用一次步進電機順時針轉7.2

108、76;</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int j;</p><p>　　for(j=0;j<8;j++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=tab[j];</p><p&

109、gt;　　delay(); </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void wfanzhuan()//微調反轉子程序，每調用一次步進電機順時針轉7.2°</p><p><b>　　{</b><

110、/p><p>　　unsigned int j;</p><p>　　for(j=0;j<8;j++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=tab1[j];</p><p>　　delay(); </p><p><b>　　}&

111、lt;/b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　main()//主程序</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar k=0;</p><p><b>　　int i=0;</b></p

112、><p><b>　　int y=1;</b></p><p>　　int h=0; //回零標志</p><p><b>　　int c=0;</b></p><p>　　int w=0; //微調標志位</p><p><b>　　P1=0x00;</b&

113、gt;</p><p><b>　　Init();</b></p><p>　　while(h0) //回零程序</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=tab[i];</p><p><b>　　i++;</b></p

114、><p><b>　　if(i>7)</b></p><p><b>　　i=0;</b></p><p><b>　　delay();</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　P0=

115、0x00;</b></p><p>　　while(1)//回零完成后，等待控制按鈕的按下</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(w1==0||Rxbuf=='1') //當檢測到靶位按鈕1按下時</p><p><b>　　{</b>

116、</p><p>　　delayms(10); //消抖動</p><p>　　if(w1==0||Rxbuf=='1')</p><p>　　{ while(!w1);//等待靶位按鈕1彈起</p><p><b>　　h=1;</b></p><p><b>　

117、　c=h-y;</b></p><p><b>　　y=h;</b></p><p>　　P0=tab2[h];</p><p>　　if(c>0)//c>0時，靶標正轉一角度</p><p>　　{for(k=0;k<c;k++)</p><p>　　zheng

118、zhuan(10-w);</p><p>　　delayms(200);</p><p><b>　　w=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(c<0) // c<0時，靶標反轉一角度</p><p><b&g

119、t;　　{c=-c;</b></p><p>　　for(k=0;k<c;k++)</p><p>　　{fanzhuan(10+w);</p><p>　　delayms(200);</p><p><b>　　w=0;</b></p><p><b>　　}

120、</b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　Rxbuf='0';</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(w2==

121、0||Rxbuf=='2') //當檢測到靶位按鈕2按下時</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delayms(10);</p><p>　　if(w2==0||Rxbuf=='2')</p><p>　　{ while(!w2);</p>&l

122、t;p><b>　　h=2;</b></p><p><b>　　c=h-y;</b></p><p><b>　　y=h;</b></p><p>　　P0=tab2[h];</p><p><b>　　if(c>0)</b></p&g

123、t;<p>　　{for(k=0;k<c;k++)</p><p>　　zhengzhuan(10-w);</p><p>　　delayms(200);</p><p><b>　　w=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>

124、;<b>　　if(c<0)</b></p><p><b>　　{c=-c;</b></p><p>　　for(k=0;k<c;k++)</p><p>　　{fanzhuan(10+w);</p><p>　　delayms(200);</p><p>&l

125、t;b>　　w=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　Rxbuf=='0';</p><p><

126、b>　　}</b></p><p>　　else if(w3==0||Rxbuf=='3')//當檢測到靶位按鈕3按下時</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delayms(10);</p><p>　　if(w3==0||Rxbuf=='3')

127、</p><p>　　{ while(!w3);</p><p><b>　　h=3;</b></p><p><b>　　c=h-y;</b></p><p><b>　　y=h;</b></p><p>　　P0=tab2[h];</p>