（光学工程专业论文）传感器监控平台程序设计及控制系统研制.pdf

南京理王天学硪士学证论文倍感器箍挎平台群序设计及控制系统疆翱 摘要 论文设计了一套传感器监控平台程序和控制系统来模拟神舟五号裁人航天船发 射的全过程。 在比较了现有的一些模叛发射演示系统的基础上，论文设计了参观者亲身参与其 中充当冀蔗天员窝控割中心久员鲍演示方粱，遽过实物摸型帮三维动疆楣结合瀚演示方 式，突破传统演示过理中单一的实物模拟或豢软饽模拟数方式。在系绫梅残土，采爨 了单片机和计算机双重控制的方法，保证整个系统的正常运行萋墨安全性。单片枫控制 系统由信号的收发模块、信号处理模块、液晶显示模块组成，主要用于系统的自动运 行。计算机控制系统是一个通过计算机并行口接收发射编码信号的v c 信号处理程序， 作为辅助系统在自动运行的基础上提供所有动作的人工操作，加强管理人员对系统的 可控翻性，更好遗应村紧急情况。在控制信号的传输过程中采用了无线信号传输的方 案。在瓿械传动部分，采溺了两层继电器逐级控稍，赢流电动丰凡作为动力部件，通过 切换电动规鳃不羼接入寇黪调节宅动捉黪转离和运转速度。 本系统具有一定的通用性，不仅可以应矧在这套演示系统中，在工数控铡中熬缀 多场合都可以采用本系统的构建方案，实现较高程度的自动控制，网时也兼嫉手动控 制。 本系统在2 0 0 5 年3 月通过中期检查，现已基本成型。 关键调： 传感器单片掘控制系统并行舀电税控割 撼要 硕士论文 a bs t r a c t t oe n h a n c ep e o p l e sa c q u a l n m n e eo fa v i a t i o n ，e n l a r g ep e o p l e sv i e 砜p o p u l a r i z et h e s c i e n c ek ：n o w t e d g e ，t h i sp a p e rh a sd e s f g n e d3s e n s o rs u r v e i l l a n c et e r r a c ea n dc o n t r o l s y s t e mt oi m i t a t et h es e t t i n gu pp r o c e s so fs h e n z h o u n o 5 o nt h eb a s eo fc o m p a r i n gw i 瞧o t h e rs y s t e m s ，i nt h i ss y s t e m ，t h es p e c t a t o r sc a r lt a k e p a r ti nt h ea c t i o n ，p l a y i n gt h er o l eo f a s t r o n a u to rt h es t a f fo fc o n t r o lc e n t e r i nt h ew a yo f t h em o d e lc o m b i n i n gw i t ht h e3 di m a g i n a t i o n ，t h es y s t e mb r e a k st h ew a yo n l yd e p e n d i n g o nm o d e lo rs o f 沁v a r ei no t h e rs y s t e m sb e f o r e ，t h es t r u c t u r eo ft h i ss y s t e mi n c l u d e sm c u c o n t r o ls y s t e ma n dt h ep cc o n t r o ls y s t e m 协m a k eu pf o rt h e i ro w ns h o r t c o m i n ga n dg o w i t ht h ew a yo fm o d e lc o m b i n i n gw i t ht h e3 di m a g i n a t i o n 。t h es t r u c t u r ei sg o o df o rt h e s y s t e m ss a f e l yr u n n i n g 。t h em c uc o n t r o ls y s t e mi sm a i n l yu s e db ys y s t e m sa u t or u na n d t h ep cc o n t r o ls y s t e mi sas u b o r d i n a t es y s t e mt h a to f f e r so p e r a t i o n od oa l lm o v e m e n t s s oi ti se a s yf o rp e o p l et oc o n t r o lt h es y s t e m ，p r o l o n gt h es y s t e m sl i f ea n dd e a lw i t hs o n q e e m e r g e n c i e s t h em c uc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s 。t h ew i r e l e s ss i g n a lr e c e i v i n g & e m i t t i n gm o d u l e ，t h es i g n a lp r o c e s sm o d u l ea n dt h ed i s p l a ym o d u l e 。t h ep cc o n t r o l s y s t e mi sm a i n l yap r o g r a mt h a tr u n su n d e rw i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 n t ，x pw i t hl p ti nt h e s i g n a lt r a n s f e r r i n gs y s t e m + t h i sp a p e rg e t st h ew a yo f 硒r 8 l e s ss i g n a lt r a n s f e r r i n gt om a k e u pt h es h o r t c o m i n gg o i n gw i t ht h ec o m p l i c a t e dc i r c t f i t s 。勰l ew i r e l e s ss i g n a lt r a n s f e r r i n g s y s t e ma l s om a k e st h er e p a i re a s yf o ru s t nt h ep a r to f m e c h a n i c ，t h ep a p e ru s et h em o t o r s t om a k ea l lm e c h a n i cr u n t h em o t o r sr u nb ys w i t c h i n gt h ec i r c u i t st oc h a n g et h e i r s o r i e n t a t i o na n ds p e e d e v e r yc i r c u i th a si t so w nc o d et h a ti sg e n e r a t e db yt h em c u o rp c c o n t r o ls y s t e m 豫ei d e ao f t i f f ss y s t e mc a l ln o to n l ya p p l yi nt h es y s t e mt h a tt h i sp a p e rr e f e r r e dt o b u t a l s oc s r ta p p l yi nt h ef i e l do f i n d n s t r yc o n t r o lt oa c h i e v et h ea u t o m a t i o n i fw em a k e i tw i t h s o m ep a n sw o r ki nh i g hf f e q u e n c t h es y s t e m0 1 1 1 1a c h i e v et h ea i m ，t h ec o n t r o ls y s t e mt h a t w o r ki nh i g hp r e c i s i o n 。 t h es y s t e mh a sp a s s e dt h em i d d l e - t e r mi n s p e c t i o no nm a r c h2 0 0 5 ， k e yw o r d s ：s e n s o rm c u c o n t r o ls y s t e m l p tm o t o rc o n t r o l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，襁 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一问工作的同枣对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了瞩确的说鹄。 研究生签名：年月罄 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阗或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年嚣西 南痰瑾l j 戈学礤圭学位论笠：掊惑裕箍控平台稚序设计及挎髑系统研耩 1 缀论 1 1 论文的背景 蔫索枣寄少年释缓活凌中心毒善技键是鬻寨隶2 0 0 5 年卡犬鬟点工毪，教饔3 ，莲亿， 旨在加强科普宣传工作，增加广大督少年对于科学技术的兴越和加深对于科学技术的 认识，迎接第十盾全阉运动会在南京召开。论文的工程背景就魑为该活动中心开发一 套模拟襁舟五号笈龛雩垒过疆翡旗数发瓣系绕，矮舞繁金万。 1 2 系统的理论意义和应用价值 课题是处于传感撩技术和囊动控制栏结合麴领域，二喾鄙戆当今世爨极其整要没 瞧漂蹙。上令篷缀控篱l 理论器拣鞠蒎本酝褥了飞速发嚣，懿k a l m a n 、p o n t r y a g i n 蠢 b e m a n 三位学者为代液的控制科学家奠定了以状态空间、极大值原理和动态规划为 梭心的现代控制理论，在航空、航天以及军事科学披术领域的殿用取得了巨大的成功， 蕊丽这黠襄的残伐羧袁瑷论帮方法要求辏确懿数学模型秘复杂蕊数镶诗磐，在工照 过程控潮中港殴捺广痰蠲。为j 逝，鞫雨乡 控制科学家、控制技术专家和：e 禚师遂行了 不攒瓣努力，以a s t r o m 、z a d e h ，r o s e n b r o k 、m o r a r i 、z s m o s 、d o y l e 等为代表的控 制学骜和控制专家们为工业过稷控京提崽了凝黪控裁理论鄹技术。鑫逶庭控制、鸯整 定整露4 、专家控筏、溪糨控熬、氏模控锱、搂登联溅控懿镶羲) 、多变量餐灞控裁、謦 棒控制等已经在工业过程控制中得副了戒功的应用，其中自熬定控制、预测控制、横 糊控制、内模控制和专家控制等获得了较广泛的应用，尤其是模型预测控制技术在工 监控裁镶凌中取缮了极大戏功，获褥了擐大瓣戆济簸盏，足乎戏了毙逶控制魏我名溺 翻f 2 1 先谶控制技术一般来淡帮需娶炙杂盼数值计簿，最依赖予计算机的，可以说没有 计算枧裁没有现代控测技术的应蹋。诗獒瓿硬转翻较俘技术懿发矮，键避厂d c s ( 囊 数控裁系统) 翱p k ( 誊，缡磴燕警l 嚣) 幻发霞，绩褥强健捷巷4 技术豹实褒了强有力麓疆 件和软件平台，因此，先进控制技术必将在工业各领域中获爨营遍的应用。 传感器拽术是当令信息采集的主用技术手段，离灵敏度的接感器件可以发现微小 靛馨椽变诧，遁遭霸臻代羧矧技术懿缍台，霹以实现黠提辕装黉载裹赣凄拯糕。 警今键界上信意技术静三大环节，却传惑器技术，通信投术，计算机披术的发展 叉进一步摄大丰富了糖铡搜术的应粥和发震。遭避传惑籍投术激大鞭度的增i 7 h 了信息 获取款粱邋，馇控制按术渗逶到嚣为广阕遂领域，遥信技术尤其是无线通信技术使稽 控裁翡巍离大大蹭鸯避，使缮舞主遵襟按藏为理实，蕊计翼撬蔽术突飞虢遗凌发装使褥信 号的处瑷遮度成几何倍数的增长，无论是数据处理的容量，糙艘还是准确度郏丈为瓣 商。论文主要研究的怒传感器和计鳟机技术在控制技术中的成用。 缝论 鞭士论文 在各类自动控制系统、遥控和解算装簧中，需要用别大量的各式元件。控制电机 就是其中重耍的元件之一。它属于机电元件，在系统中具有执行、检测和解算的功能。 控制电 凡已成为现代工业自动化系统、现代科学技术、现代军事装备中不可缺少的重 要元 牛d g ) 。 论文戆嚣撅是开发一套传感器控制模块，哥数对各释铸感器信号接收并对萁遴行 处理，产生控制信号来完成掇作。曩越在控制上比较豢爝躲是单片捉，数字信号处理 器d s p 等，但是这些器件的负载能力都不是很强，这个控制模块可以适应莱一类鼓 操作，每个口都具有较强的负载能力。这个模块既完成了控制的任务也集成了弱电控 制强电的转换器件，可以应用到很多人类自身难以完成，只能依靠传感器来进行探测 从而控制操作的众多领域。具体应用到工稷背景中来就怒神舟五号的发射全过程的控 箭模决，通过光电传感器来得知各部件所处状态，经处联后产生控制信号，继而控制 各拿部件羲着蠢三礁憝路线蓠逡居逐停丘或蕊减速运麓。该项强惫2 0 0 5 年南京市十大 重点工程之一，秀玟了秽患五号载人舱发射这一激动a 心静对亥，词以谊参观者壹蕊 的感受到火馈发射的各个过程环节，对其有个科学的了鼹。这对于提裹金民熬科学 素养，普及科学文化知识以及提高青少年对于科学技术的兴趣有藿重要的作用。 由于我闽在传感技术、控制技术和计算机技术等各方面和西方先进国家都有一定 的差距，在高精度控制系统领域里和发达圈家也有一段距离。因此课题所研究的这套 控喾霭系统就有了相当晌意义，该系统的关键在于在低成本的条件下通过多种传感器件 采集信息实跷对撬动簿分靛羧秘，整个控亲系统如采配合商频的信号采集处理和开关 电鼹就可以在军漆上耀予蹇精度火炮调整等，在民瘸领域氇胃隧翊在工业生产等各个 方蕊f 3 3 】。 1 3i n 内舞靛展情况和趋势 计算视控制系统是计算机技术与控制理论相结合的产物，它也经历了一个不断 演变发疑的遭程，瓿简单瀚诗箨视控制系统逐步发展为多级分布式计算机控制系统。 计冀规瓣发袋欲第一台诗舞枫到璐在经历了酉个除蔽，现在的计藓视越来越倾向与连 成网络，实现资源的共事，从蕊发挥软硬传载全部漤栽，进行大溉模数据燕韵链蹙。 随羲计算枫技术茅超大规模集成电路生产技术的成熟，出现了冬转微处理器秘单片微 型计算机芯片，同样可以实现对系统的控制和数据的处理，成为当今控制系统中- - * 9 j 三簧的形式。控制论也经历了经媳控制论、现代控制论、大系统理论的发展。这几 个方面的发展使得从1 9 7 5 年歪现在，兴起了以微处理机为梭心的多缀分布式计算机 控簧秀系统，这逄必将是2 l 整筑计算机控铺系统继续发展的主要方向“1 t 3 1 。 传感器在近年来也获褥了长是熬发展。近卡年来，在徽电子技术、微祝械加工技 术、纳米技零以及数涎材料科学等毫技术故雄动t - ，传感器技术已从单一静物性型传 毫隶理： ：大学硪= 学位论文传感嚣监控平台程序莰诗及控嚣系统黟 铡 感嚣进入功能更为强大，技术高度集成的新型传感器阶段。因此，当代军用传感器已进 入新型军用传感器阶段，其熊型特征是微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化 和网络亿，必褥对电子装备的发展起到先导和促进作厢。论文疆为关注的是传感器的 微型仡发聚，器翦王鼗发达雷家豁微型传感器发袋迅速，虽生产工艺成熟，现在已形成 产晶秘垂在磷究中的微型传感器有愿力、力、力矩、蕊速液、速度、位置、流量、亳 爨、磁场、温度、气体、瀑度、螬l 瞳、离子浓度、微型陀螺以及无线网络传感器等。 产品质量达到很高水平。如t r o n i c 公司采用表颟微专几槭煳工技术在寰径为1 0 0m m 的s o l 熬片上制作5 5 0 0 多个电容式压力敏感元件，其压力测量范围为6 5 1 4 5k p a ， 灵敏度为1pf 1 0 0k p a ，准确鹰 l f s ，产品尺寸为0 5m m x 2c m 。 我国传感器的产业结构存在的主要问题是企业分敞、实力不强、市场开拓不力。 我国觚事传感器研究和生产的单位约1 3 0 0 家，耩整羿第一，但真砥形成一定规模的 圭譬寥寥无咒。多数企鼗是繇水平静燕复，楚在生产的初级阶段。而我国经过“八五”、 “九五”款发展露懿也 又有3 0 0 0 多静，浅寿大量熬品零孛需要我们去开发。露时，我謦 传感器产品的技术水乎与萤夕 有较大差距，主要是长期稳定性粒可靠性较羞，臻钱了 其应用领域和产业的发展【i “。 全世界有5 0 0 0 多家企业生产传感器，其中美国有1 0 0 0 家左右，欧洲各国共有 】0 0 0 多家，俄罗斯有1 0 0 0 多家，日本有8 0 0 多家，其他地区有1 0 0 0 多家。全球生 产出自g 转感器有3 万多辩。美国的销量位居全球第一，占世界总销量的4 0 1 4 l 1 5 】。 爨动控铡理论翡袋震缎历了三代，第一代经典控箭理论，第二代现代控制理论， 第三代智熊控巷理论，瑷在我们正鲶于第三弋理论静时鬻。近年来滗并学者对控箭系 统的耀能化重毒见程度不娅加深， 也们意识到在传统控铡中探入逻辑、摧溪和启发式氯 识的馐要性，这类系统一般称为智能控制系统。i e e e 控制系统协会归纳为：键能控制 系统必须具有模拟人类学习( l e a r n i n g ) 和自邋应( a d a p t a t i o n ) 的能力。镪能控制不同 于经典控制理论和现代控制理论的处理方法，控制器不再是单一的数学解析模型，而 楚数学解析模登和知识系统相结合的广义模型 2 9 1 4 5 i 。 总的来浇微鳌亿、智能化已经楚2 l 整纪控制系统和传感器的发展方向。微挺化 麴结果之就是低功耗，可以进一步挺疑计算糖控稍系统豹应麓领域。二者的这两个 发展缝合起来就是2 l 世纪微型传感器鄂微型系统躲骇心技术一- - m e m s ( 微辊电系 统) ，可以说这必将是个革命性的技术。现在美、爨等爨在这些方厦已经走在了蘑 顾。我国现在也在不断加强在这几方面的开发力魔，不断开发毅型材料，提瘫系绞精 度，微型化发展我国也正在起步，最近1 0 年内，随着新材料和新工艺的发展。微型 化在我国应该有比较大的发展。另外在智能化的方向上，我国有很多机构和科研人员 | 姜已经进行了长时闻韵矫究湖1 2 0 1 1 4 ”。 怼予瀑题中所涉及憝魄枫的鑫动控锱藩漪萄漆并西经瘟璃了大量酌高难能控制 绪沦 鞭士论文 芯嚣，哭簧遵过台理戆缡簇鲶淫戆可戳镶好懿竞黢辫子瓷租熬控裁，逮礁攘锻爱震熬 趋势是蒋电机、功率变换器、控制系统鬃成在一起，成为结构紧凑的机电一体化产品。 辐信这一点会随着电气元件尺寸酌逐步减小实现。同时它控制单元的芯片要有非常商 濑运葵速爱。大簸r o m 容量、更多趣井露设备端 剃是a d 靼d i a 羧入秘竣囊) 。蟊 翦+ 裹馥戆控裁蕊冀已瘦瘸子交流感痰电躐、壹浚永磁黾撬霸开关磁辍窀辊汉及多电 机控制系统嚣，它支持先避纂法鳃同时，控铡功率魏：关转换器。姻傣瓣着离l 黢溅应弼 领域的捐宽，电枧控制必姆走上毅的台阶嘲f l o l 。 t + 4 谚文载主要寝窑 课题静秘标怒开发一耪传感器控制模浃，可以对各种传惑器信号按收并对其进行 处避，产曳按镥l 傧号采完成操馋。 鑫藏这个模凌主要辩予囊京枣青少年鞭鼓滔凌中心毒莓按瞎辩舟五号发射翁现场 控制。控制平台稷序和控制系统用于榜舟美号楼拟发射、匿收蜣场，对于懿个技射帮 回收的过樱避行监控，配台多媒体表现撼五在太空中情毽，完整姥体磷出w 整套蜓过 粳。系统主鬻趣攒必蓊发麓絮控麓，火蓊大毒手篱控键，文箭豹发麓遵程控裁，载久 舱控制，回收舱控制，环境控制以及邋缝动作之间的同步和时序控制。 论文主磷对系统的备个组成部分的组成和方案避行了阐述。该系统主要由以下几 部分缓戏：魏端整患蘩装部分、信号抟簸部努蟊终凌疑瑾罄势。露旗接愚采集部分裁 溺位嚣黉惑器露光电传惑嚣俸为痞惑莱寨元舞，完成采集活动部羚位鬟豹蕊患；信号 传输部分完成把采集到躲债息传毒| | l 到终溃处理鄢分并把产生靛羧涮信号传输粼梳搬 执行部分；终潲处理部分完成对收到的数掘进毒亍处璞，劳控制各部件避零亍下步活动。 该系统集传懑嚣羧瘩、搽溺菠零、无绞遴信毅寒及信号楚疆按零麓予一髂，是蠢多静 离新技术集成的综合技术。 位嚣传感器分布予各机动部件运动轨道极限位鬣附邋，控制部件怒否移动划位， 刹位孽控制其露壶或反囱运凌。光电搀感嚣燕裁火甓势窆时速度瓣谖节，菠箕冬多搽 髂系统嚣步。餍煮茬截系绞麓蕊号蠢无线发射接蔽系统来传输，系统中各种部件的运 动主要采用番静电机，分别控铡发射懿躲动作秘发辩耩寸动作。 南索理工大学碗士学位论支 传感嚣监控平台穗搏设计爰控制系统辑翩 2 系统概述 论文所研究的监控平台程序耱控制系统蠲于神舟五号模羧发辩、豳收现场，对于 整个发射和回收的过程进行嫩控，配合多媒体表现神五桎太空中情况，完整地体现出 一系列的过程。 该系统是一套剩霜傣感器( 位置簧惑器帮先电传感器) 箨尧信患聚集元彳孛，逡行 位簧信息采集，通过无线传输网络发送接收，在终端部分对收到的数据进行分析和处 理，从而对机动部分的活动进行控制的系统。它集传感器技术、自动控制技术、无线 邋嫠技术及数掇处理子一传。 谋题针对的是南京市青少年科技活动中心科技馆鹃静舟五号模拟发射系统，完成 模拟神舟五号发射回收的整个过程。系统主要包括火箭发射架控制，火箭大小手臀控 制，火箭的发射过程控制，黢人舱控制，舾收舱控制，环境控制以及这些动作之阔的 褥步帮霹序控镶。 该神舟五号模拟发射系统比以前的模拟发射系统肖如下优点： 该系统完全真实再现神舟五号发射全过程，不仅仅只是软件和控制平台上的模 拟，还套对予火签发象，霞救舱遥壤靛实甥攘墅摸瓠，势可有参蕊嚣避入鼗人鹣实现 升空过程的模拟； 采用无线通讯系统收发信号，改善了以往实物模拟系统线路簸杂，难于维护的 缺点。i 采露m c u 帮p c 双纛控鬏豹方法，傈谨了系统静鼍靠注帮蜜全往，著且可以 对操作人员和参与演示的参观者的操作实行优先级的区分，当二者的操作矛盾时，执 行操作人员的控制。 2 。l 信号采集方案耱选择 传感器进行信号的采集是系统的前端，主要是通过两种方法来蜜王见，一是主动式 梭测方法，其原理是由发射装置发射电磁波( 光实际上越电磁渡) ，当簇遇至8 被测物体 瓣被反骞重回来，孬由菝竣装鬣接毅，进蔼稔渊被蒙l 对象豹位置。舅耱是被动式稔潮 方法，是传感器直接接收特征信号而检测对象。 在系统中主要使用的楚位置传感器和光电传感器，一系列的位髓传感器分布予各 税韵帮 孛运动软遽辫遥，系绞烈薮部傅是逶移动裂蕴，委l 位罄控副箕僚壹或复蠢运动。 嚣为该系统应用子模拟展示，安全性非常的重要，因此位置传感器必须具有较高灵敏 殿，这里采用压力传感器作为位置敏感器件，并采用双通道控制以加强安全性。光电 健感器探测火髓上丹时的位激信息，传送给控制系统，从恧控制火镄，使火箭的j = 升 与多媒体系统阏步。掰以菠耀多个光电镶戆器布置在灭篱轨道静周烫，使缮采集鼢售 誉统檄遵 颈士论文 恩更加丰富。遮熙值得注意的是由于现场环境并不阴暗，所以为了消除环境杂散光对 予竞窀转浆嚣骢澎蕊，对予毙惫传惑器觞臻橡逡行设诗并且程光电探头藏攘上滤光 冀，这样麓毙邀黄感器只对嘉先安装好静茇髭管光线教懑。 2 2 控制系统制作方案的选撵 楚鬣绫胃戮寨鬻多穆雾嚣魏模式，在瀑蘧孛采鼷了嚣辩整妻模式，一是慈控 制主要魑软 警控籁，送静按蒂i 方法游磷l 警开镑楚最小瓣，较辨舱缡疆憝这耱控翎方 撼的关键。论文中实观的方法烂传感嚣信姆经编硝后由滗线通信系统发送给计算机并 行弱，数瓣攘竣蓐交疆磐避行赴理，处蠼蹇蕊嚣鬃褥控制接号菇蠢势嚣叠簧遴给淹信 系统，痞号溪蚊器筑祥髑遴戮撬嚣豁分，瓤两篷镯魏嚣帮分酶嚣魂。 繁二磅控制骥式跫攀嚣撬拄鞭一单菏钒主要毙裁菪路餐号靛暴熊，数糕楚戆。完 成数字电流调节器、转溶调节器、避辑接巷l 器轻数字皴发器等秘麓。黻鼙靖梳 幸淹多 瞧壤羟裁魏梵缓器，爵滋实蕊智黢搂弱鹩罄爨。餐辘羧翻不莰赣完全察臻邀稳攀嚣黎 安睡控制，蕊盛大大麓讫了嬲上级控制系筑靛线鼹连接，维妒麓纂、成本低壤、髓毯 可罐。单片机控制模式鼹课题中控制系统中最主要的擞现方法，完成了通过简单的按 锻操侔实骥对熬个搂摇发射蒺统魏爽澄擦粼。该方法魏通过蘩下遥稷安璎：搀惑释接 号凌壤礴簏密无线通僚蘩绕缎遭并行稼号鹱率抒穰号鲶理惹密鼙片糗串霹输入，经过 鼙菏橇邂行缝璎后，产宝辘确控熟藉号避潞i 内日传邋绘通信系统，髂号接收届疑解 礴电路解弼矮控制骂嚣动拽嚣粼锌完戏鞭设麴费终。 总魏洙。嚣，蠹予漂鬃疆囊懿穰毅笈赫羝凌褒爱予演示攥撂，交全姓杰为鬟要，矮 以搬上述驹p c 控铡稻零片缀控制媳蕊蕈孛方法结仓越柬，鞋攀冀撬鳃控裁为主要控粼 手段，p c 控制作为锝份的撩制手段，确像系统的爨垒遴行，湖时也增强系绫的w 攥 雩譬犍黧筵长暴缝靛遥褥嚣孪瀚( 系襞慧抟逡攘鍪曼辩霆) 。 2 3 系统缀娥 叁上所迭可擞餐道，不论是擎背掇麓犊心静羟髑燕缆或嚣p | e 魏梭心鹣靛制糕统 在蘸壤耧嚣黉藏瀑黄惑嚣慕获襻霞餮蕊惑，然爱藏靠嚣袋傣瓣缕毒，绦过蔫号攘泼交 控铡系统逑行信号黪处邋，褥汰邋造翥线健辕执行部俅最终遥过执行瓣舞采执行。 系统的结构如图2 3 1 所示： 簧惑鬃滚控平套蓉蠲系统主要交下瑟忍帮努缝娥：农蓠鬻熬孳元露孛惫殛臻惑器 淼测电路、篱号放大窀瓣酾臻号缡磁禳袋；秃线傣弩传输瞬绻豁分，毽括信号鹣发麓 禳浚黎接牧禳姨；在黎灞懿瀵都势苞攒解褊窀路、僚意处理翻渤体虢行部分。 工佟源怒为；嚣遴探测溅麴黄戆嚣攀元体密入王鸯戏，森设的阉时对予传黪瓣被 皴教麓霹襄避 子计算蠢实黢，完盛禳鍪武器秀空魏蚤瓣黪灏嚣留按。浚系统主要运爆 南豪琏工大学礤士学像论文 祷黪嚣监控平台瓣穿设计授控铺系统研制 臣升虢喱孵 萄2 3 1 系统结构囤 薅葶孛传感器，一秽是光毫传感器，主要是用来探测橇动部件静位嚣，勇一静楚毯力传 感器铡成的位嚣传感爨，极动部 牛一旦至4 达安全位霆熬底线黪触发转感器馒蔟停止运 幼。传感器产生的信号，经翦嚣处理器放大、滤波处理，由单片极对所收到的信号进 行处理和分析，得到正确的编码信号，通过炙线传输网络传给终端处理中心。传感器 进行实时的不间断探测，实时传输信息。在控制处理部分，对收到的信号进行分析和 处理，输出编码控制信号，再次通过无线传输网络传给执行部件，解码后控制机动部 件瀚运行，再溉神舟五号载入太空j i 裔发射的全部过程。 2 3 1 系统模拟场景 本节介绍一下整个系统的环境布局，系统展示的怒我国自抒研制的事孛舟五号钱人 飞船发射、运行、回收的全过程。展品所采用的火箭模型与长征2 f 运载火箭及 神舟五号裁人飞船外型完全相间，且按我国九泉卫星发射基地部分场景以l ：5 0 比例 缩小，形象的演示了神舟五号载入飞船发射、运行、回收的全过程。采用全景实物发 射布髑。，袋台i 方安装大屏幕多媒体投影屏，火箭进入投影幕布后，显示火箭和飞船 逃入太空薅述逸塔分离、助雄嚣分离、一级火箭分离、订开整流罩、箭船分离、飞船 遴入软遘以及载人舱返回避球的壮鼹鸯妙景象，实妨火簧与三维动疆显示巧妙结合。 整个演示过程历时8 分睾申，系统烽声、光、电及多媒体技术集予一体，从各个方覆震 示载人飞船的发射、运行和回收的过程，让参与者对飞船发射过程商个全方位、多角 度、立体感的透彻了解。采用由电脑控制的光电技术手段达到一种火箭动态发射的奇 妙景观。身着宇航服的参与者可以通过旋梯进入载人舱，大屏幕上可以熙示载人舱中 字航豢和舱内设备的影豫。由参与者装扮的宇航员进入载人舱后，坐在太空椅上，可 隧遥过舷窗遥凝井景。舷窗建交1 7 寸液晶显示器和舷窗摸鍪组成的一个窗闪，可以 亲鼹爨噻火篱逐濒离开她球薅终景戏。鑫凌 菸解系统两参与者不断豹发寤各种指令。 出航空座撞下的激震器、多媒体投影规积霹熳中斡啻嚷效果模拟火箭发射对翡真实感 受虚景与展品中真实的仿真效累构成了一幅真实感很强的场景。 熬套系统分为指挥中心仿真控制台，仿真模型、机械传动、电路控制、音响效果、 烟火与照明、电脑软件特技及场景布置等部分。整个模拟的过程大致如下；参观者代 表着宇航黼进入载人舱艇定后在大屏幕上显示载人舱内部情况。发射程序启动后，火 箭主体腻弱定塔檠移淘澄射塔桑，倒讦时后点火升空，同时控制光电系统全部打开， 火羲兰体辫空，与上方大屏幕叛鞘鞠筷，i ；蠡实俸穰羧转为动画演示：在载久舱雨，火 系统概述 碳士论文 麓舞空两时，程序控铡爨舔啬璃牙定，瘙霞鼷蒸振秘，舷窗援救必蓑嚣窒接焱a 在 羧入舱矫部嶷现放载入瓣戮凰牧黔魏转羧。 2 3 2 魏端僚姆的处理 在蘩漩我们对予绩号貔采集整楚裱纛绩感嚣，蕊感器把努郝谐凝静交位转交烫电 镰号，提供绘稀续系统邀褥娃瑾。健戆瓣麓输窭宅繇一般采说器缀小，密上湃髓，系 统中的信号依靠无线传输愆统传输，要求信号要到伏特级。所以传感器输出信号必须 宠经过藤鬟菔太积羲处理嚣孝裁避行褰处理。另羚，为了爨涯系绞戆霹霾瞧，对予 僚感器输窭僚号的滤波照瑗氇是苓瑶漱少熊。 由于原始信号极其微弱，很容易被噪声所淹没，所以为了能谢效抑制干扰，对处 理电鼹皮满足以下基本要求： 高输入辍挠，驳减轻痞号滚麴受裁效瘦弱掷露l 傣瓣嗣络泡隧不对称弓l 入豹误 蓑； 2 ) 高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引入的误差； 3 零点麓时淘稳定瞧黪渥凄稳瓮性要毫，零霞露潺，或考麓窭魂较零； 4 ) 其露优良静动泰姆髓； 5 1 具肖足够的信噪比。 对悲慧传感器输爨镄号进行拔大蠲滤波魑璞，下嚣藏是慰光窀健感器嫠号滤波 羧六鹁分餐。 要傻终感器对茇光管翁滚蓊光敏感，首先就是蜜漩与发光管光线匹配的滤光片， 然后是对传髅捺输出傣号的滤波处理。经过多次的尝试，翦鬟滤波器选取腿捷为5 0 k 发丧，奄藩选取t 0 3 ，经避遮棰黎麓毽嚣，在澄窍敏感光线照蘩辩，健感嚣覆鸯定 的背景接号，躲强在蕊号泡压放大之嚣，要走滤瓣文淡鬻景稼号。缎过多次试验藉， 聚用l 师的电解电容的滤波敫果比较好，爵丁以基本滤隙所有的童流背景信母，傥蕻在 没套敏感光线照瓣时，输斑繁号的辐澎死乎为零，这撵，输出信号赡变诧藏代袭了敏 感光照辩豹交纯丽和胬豢馕号无关。 接下采靛怒对予信号韵放大处理，为敬得眈较好酌放大信号，谶步减小背灏信 号对输出放大信号的影响，采用两级放大，所使爝的敷大器是l m 3 5 8 。l m 3 5 8 蹩蠢 涎令疆立瓣麓臻盏、悫藩骧枣馨整运雾敬犬器鑫藏，爵在宽邀嚣藏溺黥摹毫添下互作， 选可在双邀濑下工作。茭熙瓣领域惫揍转换藏大器，褒滚增益帮 串鞠琚有鬻麓运释敖 大器电路，这魃恩易予在壤魄源系统中实现。优点：i 无需两个电源 2 两个内 b 偿 逡箕旅丈嚣封装在蕈一警巍中；3 允诲赢接接受逶子蝰毫煎售号，竣爨毫压 叠魏搂动 到缝电位；4 和所有形式缝邂辑电路藏铎；5 电潦功籁，j 、，逶予魄涎供电。 经过液大处理后缀铡囊| ，可以满足谦题的需要，而鼠对于发光管的光照比较敏感。 堕室垄三查堂堡主堂垡笙苎生璺墨些塑! 鱼矍堡堡盐墨丝竖竺里型一 图2 3 2 1 所示电路实现的功能是当敏感光照射时使传感器信号输出，经过滤波电路 滤除直流背景信号后，放大信号，当发光管光线被遮挡时输出为零，为了更符合习惯， 若在j 2 后连接反向器，输出就是传感器被触发时产生一个从低电平到高电平的跳变。 这种方法电路简单易行，成功率高，而且使用l m 3 5 8 芯片，对于硬件的要求很低， 是极为实用的一种方法。 图2 3 2 1 传感器滤波放大电路图 2 3 3 信号传输 在该系统里不论是传感器信号还是控制信号基本都是依靠一套无线发射接收系 统来传输的。采用无线传输系统主要是基于以往的模拟系统往往布线十分复杂导致易 损坏和不易维修的原因，采用无线传输通信后很好的弥补这方面的不足。 这套无线传输系统主要完成一个编码、传输、解码的处理过程，在控制平台和执 行部件两个部分都安装一套发射接收系统，可以完成各自向对方发射接收信号的任 务，同时赋予这两个方向上的信号不同的地址码，以避免信号的误接收。 2 3 4 终端处理 系统的处理终端部分主要包括控制平台和机械传动部分。控制平台主要用于处理 信号和产生控制信号，机械传动部分用来执行控制信号。在课题中，控制平台采用单 片机和p c 两种控制方式，保证控制平台的正常运行，机械传动部分采用多路继电器 控制电机运行的方案，在后续章节中会有详细介绍。整个终端处理系统的框图如图 2 3 4 1 所示。 9 器绫概述溪士论文 m c u 控n | ，l 多髅继电器驱 一蝴爹邦 动电路 p c 控魁 7 圈2 3 4 ，i 终端处理系虢掇强 2 。4 本章，j 、结 辜章赍镪了系鲮懿楚钵缕秘。营毙分搴厅了置秘方案懿琴圣亍毪，镀据獒俸熬瑟求选 定了台适的方案，然后介缁了整个系统的基本组成，并且对系统的运行场景也傲了描 述，读者竭以对整个系统瀚运焉有个被媳体的了解，最后针对各个主要部分都做了概 黉蛙酶套缨，对蔷令部分瀚傣终方案骰了阐述。 堕塞些王点鲎塑主竺些堡塞 堡堕壁堕篓翌鱼堡壁堂丛曼篓趔墨堡型型 一一 3 系统分析 本传感器监控平台控制系统的大体结构已经在前面章节中介绍过，在本肇中对整 个系统做具体的分析，做出对所选的各个器件的特性分柝以及对所选器件在率课题中 | 鼋馒霜方窳夔劳辑。 3 1 传感器分析 传感器是能感受裁定的拔测量劳按照一定援德转换成可用输出信号鲍器俸或装 置。通常洳敏感元 孛帮转换元俘组成。其中，镦戆元件是指健撼器中能壹接感受被测 量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部 分。 赞黪嚣输出售号有缀多形式，翅整压、毫滚、频率、黎洚镣，输出信号静形式由 传感器的腻理确定。在本课题中采用的主要是光电传感器和利用压力传感器制作的位 _ ! 菁：传感器件。 3 。i 1 怒魄铸感器分磷 光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。它的物理基础 是光电效应。在现代测避与控制系统中，应用非常广泛。 雳光电器尊溺量 # 瞧量时，蓄毙要感嚣电量豹交纯转换为光譬懿交讫，然后通过 光电器件的作用，就可以将非电量的变化转换为电量的变化了。 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍 增管就餍予这类光电嚣 孛。在光线圣誊躅下使物体魄隧率改变黪壤象成为内嵬电效应， 翔光敏电戮就属于这类光电器件。在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现 蒙，称为黻挡层效应。如光电池、光敏晶体管等属于这类光电器件。阻挡层光电效应 即光生伏特效应。 由子光电元 孛嚼应莰，结韵麓肇，瑟显有较离翁可靠往等优点，奁鑫动测试中褥 到广泛的应用。本课题就是采用硅光电池作为接收端来实现所需功能的。 常用的硅光电池的结构如图3 1 1 1 所示。制造方法是：在电阻率约为0 1 1 欧慷 米的n 型硅片上，扩散硼澎戚p 型鼷：然后，分别耀窀极弓 线憋p 鍪帮x 黧层引出， 形成正、负极。如果在两电极润接上负载电阻轧娜受光照后就会有电流流过r 。为 了提高效率，防止表面反射光，在器件的受光面上要进行氧化，以形成s i o 。保护膜。 此外，向p 型硅单晶片扩散n 型杂质，也可制成磁光电池。器件的价格与原料渣耗量 密切穗关，挺党电逮 薮蔽函形时硅孝芎瓣豹零i 爱率激嵩。为了满足逄源电压、容量匏要 求，必须把单个光电池串、并联起来组成电池使用。因为在容鬣相同的条件下，用团 蔓鉴坌塑堡i ：垒苎一 形光电池片姐装电池组，占地面积最大，所以，为了缩小占地面积，往往把单个光电 池做成矩形或六角形的。 光 防殷射膜 f s n 。) p n 绌 s i o ? 萄3 ，j 硅光电池鹃褐淹 b 当光照到p - n 结上时，如果光子能量足够大，就将在p n 结区附近激发电子空 穴对。在p - n 结电场作用下，n 区的光生空穴被拉向p 区，p 区的光生电子被拉向n 区。结桑在n 区藏聚积了负电荷，蒂负电：p 区聚秘了正电荷，带正电。这样n 区和 p 区之潮裁出现了电位差。躅导线将p n 结两端连接起来，电路中就有电流流过，电 流的方向由p 区滚经处邀鼹至n 区。若将惫路羧开，裁可以测密光叟窀动势 l n ”j 。 下艇分板电压一电溅特性。 图3 + 1 1 2 所示为光l 趣池她等效电路。图中，i ，为出恒滚源发出，与入射光照度 成m 比的电流；i ，为流过二极管的电流，该二檄管与恒流源并联；i 。为结的漏电滤； r 。为等效泄漏电阻：c 。为结电容；r 。为管芯电阻与管芯一电极接触电阻的等效串联电 阻，其值与电极一管芯的接触方式有关。 般ii ，* - i 圈3 11 2 光电池等效电路 南京媸丁大学蝮士学位论文糖感器监控平台程序设计及控铡系统科割 通常，t “很小，r 。缎大。若忽略i 。，则可由躞3 + t 。1 2 写出 ( 3 1 1 1 ) 根据加在二投管上的芷向电压为u 。+ p n 结的反向饱和电流为i 。，利用普通二极 管的电流计算公式，可写成 ，。= ，n ( e x p 1 ) 式中q 电子电荷； k 一玻尔兹曼常数； t 缝熬绝对湿发。 故输出电流为 l 吐。屯1 吐j 咄( e x p 等曲 ( 31 1 2 ) ( 3 1 1 3 ) 令，= o ，即负载电隰r 。- - 0 0 ，则此时输出电压等于u ，。此电压魏为开路电压 常用u 。表示，即 = 等，n 皇峋孽8 ( 3 ，1 1 4 ) 上式表明，光电池的开路电压与光电流的对数成正比。实际土存在i 。因此 开路电压的精确表达式应为 三皆邶窜o ( 3 1 1 ，5 ) 因此，在i t 约等于u o o r ：“时，开路电压将由予受i ；。的影响耐大幅度下降。 如果髓接r - - 并忽略凡，即使t l , 等于零，则根据式( 3 1 1 3 ) 算出的就是短路电流i 。 即 | 。= i i 。= k | 。k ( 3 ，1 1 ，6 ) 式中 k ，- 一光电池的光电灵敏发，安勒克戆： l 入射光照度，勒克斯。 上式表骥，光憋邀熬短路恕渡与入爨光照凄戏燕比。毽是， 叁于实嚣上存在 1 3 鍪鉴坌堑 塑：蜘垒兰一一 和r 。，因此，短路电流的精确表达式应为 k 钆 ( e x p 等棚+ 急 ( 3 1 1 7 ) 利用式( 3 1 1 5 ) 和式( 3 1 1 ，6 ) 可以绘出开路电压、短路电流与照度之间的关系蝗 线。若考虑到和r 。的影蛹即式( 3 1 1 7 ) ，剐短路电流与熙度之间就只在某一范围 内星线性关系。照度低时，短路电淡壤变低，嚣在毫照度区域烙会键彝。实嚣的短路 电流应为 ( 3 1 1 8 ) 式中a 。光电池的受光渐积米2 ； j 。短鼹电流密度，安米2 。 通常，单片硅光电池短路电流密度约为1 5 0 3 0 0 安米2 。 利潮光电撼鹃等效电路，可写爨其输出电压褒运式为 u ：， 2 e tt n ( 4 二十1 卜 qn 因此，输出功率p 的表达式为 p ：塑m ( 掣+ 1 ) 一，2 r 。 g tc ( 3 119 ) 值褥指出，在实隧工 誊中，光电洼瓣开鼹电压魏矮黪迄浚罄不是靠诗箕求缝豹， 而是通过实测得到的。对般光电池来说，上述两个参数的测试条件为：在地球赤道 难近太藤整翔静海平蕊上，以太阳徽光源，该处太粥光滟辐鸯雩照度等于i 予瓦米2 。 实际上在光电池制造厂，是用碘钨灯或溴钨灯做光源，在辐射照度等于l 千瓦米2 的条件下进行参数铡量的。糖待测光电池鬣于标准光照下，使电池谢端开路；而后， 将高内阻直流毫伏表或电位差汁接在电池蕊端，这样藏可以测， ：路电压u 。在霹 样条件下，若把光电池的两输出端经低内阻( ，泌鹱电动据在嬲速：当稳崮 转矩t ：小于负载转矩t ，时，等 o ，说明电动机在减速。可见式( 3 ，2 5 ) 表示转遮变化 时电动祝轴上鹣转翘平衡关系，所戳称为电动机的动态转籁平衡方程式。 利用动态转矩平衡方程式就可以根据控制系统的技术指标来选用直流电动枧。直 流电动机是选用和使用电动枕的依据。下面简爰介绍一下几个主鼹额定髓的含义。 额定功率p 。指蠢漉电动机在额定运行时，其辘上输出的祝撼功率，单位为瓦特。 额定电聪u 。指在额定功率下，直流电动机的励磁绕组和电枢绕组应加的电压值。 鬏定电凌i 。是褪电动毒霓在鬏定电压下，象载达劐额定功率时瞧疆电滚耪秘磁毫 流值。对于连续运行的直流电机，其额定电流就是其长期安全运行的最大电流。短期 超过额定电流楚允许的，键长掰超过额定电流将会谴电视绕组和换向器损坏。 额定转遮n 。，指电动机在额定电压及功率下每分钟的转数，单位转每分( r m i n ) 。 额定转矩t 。是额定电压和额定功率时的输出转矩，单位牛米( n - m ) 。 在选用电动枧时，额定转矩是一项豢要的糖掭，一般在钨薅上不标出，毽楚可以 由电动机的额定功率p 。和额定转速n 。计算得到。 零。= 篓* 鲁 ( 3 2 6 ) 根据上面的分析，课题中选用的直流电动机主要有两种，一种是用于驱动发射塔 粲中静大4 、手臂，在裁 乍豹过程中大小手臂的材料选用的都是轻磺牢固的p v c 材料， 所以驱动大小手臂的电枫蛉额定功率p 。不需要很大，选鼹的是馥定电匿u 。为6 伏特 的直流永磁减速电机，同时由于阐收舱怒较大质量的器件，驱动回收舱所选的电机的 额定功率p 。鬻耍较大，选瘸兹是额定电压u 。为2 4 犬褥瓣壹滚隶磁瞧褪。 下而分析直流电动机在课题中所涉及的动作，即启动