毕业设计（论文）-激光光强及偏移量反馈控制系统.doc

毕业设计 课题名称 激光光强及偏移量反馈控制系统 学 院 物理与电子工程学院 专 业 光信息科学与技术 班 级 光信112班 姓 名 学 号 指导教师 完成日期 2015年5月23日 教务处制 激光光强及偏移量反馈控制系统光信112 指导 摘要 激光由于其良好的方向性和相干性而被广泛应用于通信、科学研究、工业等各大领域。但因为各种因素如谐振腔热稳定性、环境扰动等影响，激光器发射的激光束方向和光强随时间存在微小的漂移，而对于中长距离的应用，这种微小的方向漂移便会严重影响后续系统的工作稳定性，同样对于应用在中长时间的激光系统，这种误差会对其性能产生严重影响。因此，对于大多数激光光学系统，一个前置的激光光强稳定及方向对准装置具有重要的实用意义。本设计利用CMOS作为传感器，实时获取光束方位坐标并显示光斑，运用STM32单片机驱动步进电机转镜，实时校准光束偏移量，再利用光敏器件作为传感器，用51单片机构成一个光强检测模块实时检测光速光强，传输实时光强数据给STM32，并运用基于单片机开发的微控制器驱动电机平移台调节可调衰减片，实时调节光束光强，以达到保障激光光束方向及光强稳定性的目的。关键词 CMOS探测；激光方位校准；激光光强调节；步进电机；ABSTRACT Laser because of its good direction and coherence is widely used in various fields of communication, scientific research, industry and so on. However, due to various factors such as the resonator thermal stability, environmental disturbance, etc., the direction and intensity of the laser beam emitted by the laser there is a slight drift over time, and for the long-distance applications, this would be a serious slight drift direction affect the stability of the follow-up systems, also for use in laser systems for a long time, such errors can have a serious impact on their performance. Therefore, for most laser optical system, a pre-stabilized laser light intensity and direction of the alignment device has important practical significance. This design uses a CMOS sensor, real-time access and display spot beam orientation coordinates, using the STM32 micro-controller drives the stepping motor rotating mirror, the real-time calibration beam offset, and then use the device as a light-sensitive sensor, with 51 single-chip form a light intensity detection module in real time detecting the speed of light intensity, light intensity data to transmit real-time STM32, and the use of micro-controller-based micro-controller development drive motor translation stage variable actuator adjustment, real-time adjustment beam intensity, the laser beam direction in order to achieve security and stability of light intensity purposes.KEYWORD CMOS detection; laser alignment orientation; laser light intensity; stepper motor目录1.前 言52.激光反馈控制系统原理72.1 激光光束方位的实时监测原理72.1.1 探测器选择72.1.1.1 四象限探测器72.1.1.2 CCD82.1.1.3 CMOS摄像头9 2.1.2 激光光斑的测量92.2 激光偏移量的手动调节原理11 2.2.1 控制器11 2.2.2 手动调节的原理14 2.3 激光偏移量的自动校正原理142.4 激光光强监测原理152.4.1 探测器选择152.4.1.1 硅光电池162.4.1.2 光电二极管172.4.1.3 TSL230B芯片18 2.4.2 激光光强的监测19 2.5 激光光强的手动调节原理20 2.6 激光光强的自动校正原理213激光反馈控制系统的构建213.1 系统框架与运作流程213.2 系统构成模块233.2.1 光斑坐标采集模块233.2.2 步进电机驱动模块与反馈控制模块263.2.3 光强采集模块与反馈控制模块333.2.4 监测数值显示和数据处理模块374.实验调试与数据分析394.1 激光偏移量的反馈控制校正实验394.1.1 实验步骤394.1.2 实验数据及分析394.1.2.1 校准准确度测量414.1.2.2 系统稳定性测量42 4.2 激光光强的反馈控制校正实验434.2.1 实验步骤434.2.2 实验数据及分析434.2.2.1 校准准确度测量444.2.2.2 系统稳定性测量45 5.结论46参考文献46致谢46第 46 页 共 45 页激光光强及偏移量反馈控制系统1.前 言1960年，T.H.西奥多梅曼制成了第一台红宝石激光器之后，氦氖激光器、砷化镓半导体激光器相继面世，到2013年，南非研究人员开发出世界首个数字激光器，激光技术的不断发展进一步提升激光器的性能，它的应用范围也不断扩大。然而，光学研究准确性与可靠性的要求，使我们对光路中激光束的稳定的要求非常之高。激光可以作为热源，细小的光束带着巨大的功率，产生巨大的热量加工各种材料，最精确的甚至能够在一个针头大小的面积上钻超过100个孔，也能在生物机体上产生刺激、变异、烧灼、汽化等效效果，良好应用于医疗、农业。可以用作激光测距，方向性好、功率大的激光作为测距光源可以探测到很远的距离。但是这些应用对精度要求十分高，需要精确控制方位和输出功率，细微的误差都可能引起巨大的不良后果。因此，在一些大型激光器设备中都会配备光路自动校准系统和输出光强稳定控制系统。但对于一些小型实验装置中的激光器设备，则很少有这种激光自动校准系统，然而，在这所有光学研究和实验中，光束的精准度和稳定性尤为重要。在实验室中，诸多因素如人为碰撞引起的激光器的震动，实验室温度引起的光学仪器的热涨冷缩引起的形变，空气中气流的扰动引发的光学透镜的晃动等都会导致光束方位产生不愿见到的误差和偏移，在复杂和光路较长的光学系统中影响特别大。因此，光束方位与光强的监测和自动校准系统会在激光实验和研究中起到非常良好的作用，可以大大减轻实验人员的工作量，也可以明显提升实验结果的准确性。在如我国“神光-”、美国“Nova”、日本“GEKKO-12”等大型高功率激光核聚变装置中1，激光的校准系统都需要外加一个或多个准直光源来辅助才能进行校准，并且通过复杂的光路和校准过程来实现自动对准的效果。结构复杂的光路，自动校准的时间也就越长，速度也越慢。这些校准装置虽然精确度很高，但大多不能通用，不同的光路需要设计不同的准直系统，不适合应用于中小型光学系统。本设计针对中小型的光学系统，设计了一个外接的激光光强控制和光束校准系统，对于许多不同的光学系统，都能精确的完成光强和光束的监测和自动校准，不对激光光源造成任何影响，大大提高了激光器的稳定性，也降低了对光源的要求。本设计中，以CMOS摄像头采集光斑方位，TSL230B芯片采集光强，在采集精度上比常规四象限电阻，光敏电阻，光电二极管那些要精确的多，而且可移植性强，外置的校准系统能够适应各种激光器，可以在各个领域广泛应用。2.激光反馈控制系统的原理本设计实现的功能为以下六个：第一，激光光束方位的实时监测；第二，激光较大偏移量的手动调节；第三，激光微小偏移量的自动校准；第四，激光光强大小的实时监测；第五，激光光强的手动调节；第六，激光光强的自动校准。2.1 激光光束方位的实时监测原理2.1.1 探测器选择2.1.1.1 四象限探测器四象限光电探测器实物如图2-1。它是把四个参数和性能完全相同的光电二极管按照四个象限分别排列而成的光电探测器件。如图2-2,每一个独立的光电二极管代表一个象限，光源照到探测器上每个象限接收到的光强的不同，代表光斑中心不同于光斑中心；反之，四个象限上接收到的光信号强度相等时，表明光斑中心位于位于四象限中心2。四象限探测器的优点：价格便宜，对于光斑中心的确定较为简单缺点：无法进行更精确的光斑中心确定，不能满足较高精度的光学研究和实验需求，无法将光斑转化为图像进行处理和显示。结论：不选用四象限探测器作为系统的光斑中心的监测器件。图2-1四象限光电探测器实物图2图2-2四象限光电探测器示意图32.1.1.2 CCDCCD示意图如图2-3，是一种能够把光信号转化为数字信号的半导体器件。 CCD上像素数也就越多，CCD画面分辨率自然也就越高。CCD的作用就是把光信号转换成电信号。CCD上有许多光电二极管，能将光信号转变成电信号，并换成数字图像信号4。CCD图像传感器的优点：1.重量轻体积小；2.工作电压低，功耗小；3.灵敏度高，噪声低；4.响应速度快；5.抗冲击与震动，性能稳定，寿命长5；缺点：价格相对比较高。结论：出于成本和与处理器的配合的考虑，不选用CCD。图2-3 CCD示意图52.1.1.3 CMOS摄像头 CMOS利用矽感光二极体进行光电转换。原理与“太阳能电池”相近，将光影像转换为电子数字信号,光线越强、电力越强,光线越弱、电力也越弱。CMOS摄像头实物图如图2-4。CMOS摄像头优点：生产成本低，更为敏感，速度也更快，更为省电6。缺点：在影像品质等各方面均劣于CCD结论：出于成本方面的考虑，找到CMOS摄像头与STM32单片机能够配套使用，选择CMOS摄像头。图2-4 CMOS摄像头实物图72.1.2 激光光斑的测量激光光斑的监测用的是CMOS摄像头。激光光束经过可调光路系统之后，经过分光镜的分光之后，副光束照射到CMOS摄像头上，通过STM32采集摄像头数据，然后通过算法进行运算和处理，得出光斑中心的位置坐标。采用CMOS作为传感器，相比于较常用于光电定向的四象限探测器而言，可以获得绝对位置信息以及全面的光强横向分布信息，同时也存在处理速度较慢的缺点。因此，考虑到不同的应用需求，我在系统中试用两套不同的定位算法。(1)第一套算法为仿四象限算法。 图2-5光斑与中心偏离 图2-6光斑只在一个象限中 如图2-5所示，把CMOS像素阵列分为四个象限，落在其上的光斑也被分为四部分，其面积分别标为、。这四部分光斑面积的大小显然反映了光斑中心对于感光面中心（四个象限的原点）偏移量的信息。对四个象限分别进行像素灰度值求和，得到的值应分别基本正比于-，而光斑中心偏移量和则可表示如下公式： (2-1) (2-2)式中k为常系数。此算法计算速度快，可采用间隔取点可进一步提高处理速度。局限性在于精度不高，且对不同的光源需要校准系数k。此外，如图2-6所示，当光斑较小且只落在一个象限中时，此算法只能获知偏移方向而无法获知偏移量大小。(2)第二套算法为精确定位算法，精度较高。采用如下公式（2-3）、（2-4）所示的一阶矩严格计算光斑中心坐标，能够充分利用CMOS传感器获得的光强分布信息，对光斑落在感光面上的任意情形均可获得精确的光斑中心坐标信息。 (2-3) (2-4)式中对每一个像素点分别进行灰度值加权平均，权值为坐标值，求出像素灰度平均值所对于的的坐标位置，就是光斑中心的坐标位置。算法二相对于算法一，虽然计算量的增大延长了反应时间，但是精度大大提高，而且只要光斑完整的出现在感光面的任意位置，都能准确的计算出光斑的中心坐标，得知其偏移量大小，所以最终我选择了算法二来计算光斑的偏移量。2.2 激光偏移量的手动调节原理 2.2.1 控制器 为了达到调节光束偏移量的效果，我选用步进电机控制转镜的转动，用光束反射出去方位的变化，来改变光束的偏移量。步进电机能够将电脉冲信号转变为角度的位移或线性的位移，它的转动和转动的速度受脉冲信号影响。步进电机驱动器收到脉冲信号后会驱动步进电机转动。我们可以通过控制发送给步进电机驱动器的脉冲个数脉冲频率来准确控制转动的角度和调节转动速度。步进电机内部结构如图2-7，内部有个带NS极有磁性的转子，外部有着带A、B、C、D四个控制端口的定子。当我们给A高电平时，A所在的线圈产生磁性，与转子的一端相吸，转子就会转到一端与A相近。而给A、B同时通相同的电压时，转子就会被吸引转到A、B的中间。等到只给B高电平时，转子则会被吸引转到B的位置。这样，通过A-AB-B-BC-C-CD-D-DA八拍的控制，就可以使步进电机转动一圈。步进电机驱动器可以将电脉冲转化为角位移。它的原理如图2-8。四相步进电机三种工作方式分别为单四拍、双四拍、八拍。通电时序与波形分别如图2-9 a、b、c所示。驱动器的作用就是把上位机的脉冲信号转换为有顺序相序给电机通电使电机转动。 图2-7步进电机内部结构8图2-8步进电机驱动器9图2-9步进电机驱动器的驱动时序图92.2.2 手动调节的原理本设计中，激光偏移量的校准是非常重要的一部分，也是实际应用中应用最广泛最实用的一部分。然而激光偏移量的校准中，有时偏移量较小，光斑能够入射到用来监测光斑的CMOS摄像头上，这种情况适用自动校准。而在大多数时候，自动校准之前，偏移量过大光斑并没有入射到用来监测光斑的CMOS摄像头上，这时需要先手动粗略调节减小偏移量之后再进行自动精细调节。手动调节的原理就是下位机控制驱动器驱动步进电机转动透镜，通过反射镜的转动来改变激光的偏移量，两个电机分别控制两个反射镜来校准x轴和y轴的偏移量。人根据光束位置，控制转镜来使光束入射到CMOS摄像头感光面的位置，让其接下来可以进行自动校准。2.3 激光偏移量的自动校正原理要确定一条光路，只需知道激光光束刚开始出射的位置和最终射出的位置。光路要对准，最重要的就是确定光路出射光斑的位置。用CMOS来监测光斑的位置时，我们先要确定一个基准点作为最终要校准到的位置，当我们将光斑的位置调整到这个位置，就完成了光路的对准。这里说的位置，就是光路最终自动校准需要达到的光斑坐标。激光束方位自动校准系统系统设计原理如图2-10所示。系统中，激光束从左边进入，经过可调反射镜M2时可以通过反射镜的转动控制竖直方向的偏移量，再反射进入可调反射镜M3时可以通过反射镜的转动控制水平方向的偏移量，达到控制光束偏移量的目的。最后分光镜分出一束较弱的激光用于CMOS摄像头监测光斑坐标位置由CMOS摄像头所连的STM32进行数据处理和反馈调节来使光路进行自动校准。STM32对图像的数据处理采用的是2.1.2所示的精确定位算法，而反馈调节的原理如图。在自动校准之前，可能遇到光束光斑入射到CMOS摄像头感光面之外，这种情况下，先由人工根据光束的方位，手动调节到光斑入射到CMOS摄像头感光面，再进行自动调节，既保证了光路的可调范围足够大，又保证了精确调节时光斑监测时的精度。在手动校准完之后进入自动校准，先通过CMOS摄像头采集光斑数据，用精确算法计算出光斑中心坐标（x,y）。然后跟坐标基准点（x0,y0）进行对比，判断出偏移量的相对值，在本设计中，为了计算的方便，基准点设置为（0,0），所以偏移量x=x0，y=y0。然后先判断x轴的偏移量，如果大于某个量(经过实验测试，设定的是10)，则控制x轴偏移量的转镜对应的电机按照对应的方向转动一个较大的角度。如果偏移量小于这个量，则控制x轴偏移量的转镜对应的电机按照对应的方向转动一个最小的角度，当偏移量接近等于0时，则不控制电机。循环进行光斑坐标的监测和反馈调节。再判断y轴的偏移量，大于某个量则控制y轴偏移量的转镜对应的电机按照对应的方向转动一个较大的角度。小于这个量，则控制y轴偏移量的转镜对应的电机按照对应的方向转动一个最小的角度，当偏移量接近等于0时，则不控制电机。循环进行光斑坐标的监测和反馈调节。这种反馈调节的方法，在偏移量较大时调节幅度较大，在偏移量较小时调节幅度较小，既能保证光斑偏移量校准的速度，也不会影响光斑偏移量校准的精度。图2-10系统设计原理图2.4 激光光强监测原理2.4.1 探测器选择2.4.1.1 硅光电池硅光电池如图2-11是一种半导体器件，能将光能直接转换成电能，其结构如图2-12所示。它主要部分是一个大面积的半导体PN结，薄片P型单晶硅在栅状电极下利用热扩散法在的表面上生成一层N型受光层，基体和受光层的交接处形成PN结。在N型受光层上有栅状负电极。在受光面上还有抗反射膜，可以使电池对有效入射光的吸收率大大增加，保证其光能转换成电能的转换效率。当硅光电池PN结受到光照时，回路中就会产生有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池优点：性能比较稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用寿命长，不需要外接电源就可以把光能转换为电能。缺点：硅光电池不能受潮或者沾油污，对环境要求较高，长时间照射会使电池的温度升高，降低输出功率，影响实验效果。结论：因为本设计中可能需要长时间稳定的测量，还有光强的调节，可能会对硅光电池的温度产生影响，最终影响精确度，所以不选择硅光电池作为光强检测器件。图2-11硅光电池10图2-12硅光电池的基本结构112.4.1.2 光电二极管光电二极管如图2-13具有和普通二极管一样的单方向导电特性，也是由一个PN结组成的半导体器件。但它在电路中是一个把光信号转换成电信号的光电传感器件。光电二极管工作在反向电压下。暗电流指在没有光照反向电流极其微弱的电流。光电流是有光照时反向电流迅速增大到几十微安的电流。光的强度变化引起光电二极管反向电流变化就可以把光信号转换成电信号。光电二极管的工作特性曲线如图2-14。光电二极管的优点：更好的线性，响应光谱范围宽，低噪声，价格低廉，使用寿命长缺点：需要设计电路，才能对光光强量进行测量，使用较为麻烦，需要用AD采集电压信息设计的电路优劣对测量的效果影响很大。结论：为避免电路中使用AD采集电压信息的时候各种波纹及其他因素影响测量精确度，不使用光电二极管。 图2-13光电二极管12 图2-14光电二极管的工作特性曲线13 2.4.1.3 TSL230B芯片 TSL230B如图2-15是TI 公司生产的主要用来测量光束的强度的芯片。芯片能够将光能信号转换成电流信号, 转换为转换成对应的脉冲频率，单芯片即可将光照度转换为频率信号。输出频率只与光照强度有关, 可以用微处理器接受频率信号。通过51单片机监测芯片输出的频率信号, 然后根据图2-16得到光线强度( 单位: W/cm2) 。 TSL230B的优点：线性度好，分辨率高，输出稳定，不易受外界电路影响。缺点：需要单独使用处理器来对频率进行计算和处理，比较占用资源。结论：因为本设计中对光强测量的准确性较高，而TSL230B芯片不受外围电路的影响，不易产生实验误差，所以选择TSL230B作为光强监测元件。 图2-15)TSL230B芯片14 图2-16TSL230B的频率-能量关系曲线图14 2.4.2 激光光强的监测本设计中光强的监测最终决定采用TI公司生产的TSL230B芯片进行监测。TSL230B的引脚图如图2-17，管脚功能如图2-18。其中S0、S1 端控制器件上方的感光面积，达到调整灵敏度的目的；S2、S3 为输出频率分频系数选择端，通过这个来改变量程；OUT 为频率信号输出端，输出光电转换出来的频率信息。本设计采用一个51单片机对TSL230B输出的频率信息进行转换和处理，根据图2-16TSL230B的频率-能量关系曲线图对照，得出入射光的光强数据。然后实验测量分光镜分光的比例，计算出系统最终出射光的光强。 图2-17 TSL230B的引脚图15 图2-18 TSL230B的管脚功能15 2.5 激光光强的手动调节原理 本设计中，光强主要通过可调衰减片的移动进行调节。可调衰减片如图2-19，是一个透过率可调的透镜。从左之右透过率从100%到0%可调。光束经过可调衰减片不同的位置，则透过率不同。可调衰减片的移动是通过平移台带动可调衰减片进行移动，从而达到调节系统中光束的输出强度的目的。激光光强的手动调节，是人工根据光强监测模块的数据，通过按键控制平移台的移动，调节可调衰减片的透过率，最终控制输出光强的增减。图2-19 可调衰减片2.6 激光光强的自动校正原理激光束光强的自动校正系统的设计原理如图2-10所示。系统中，激光束从左边进入，先经过平移台上的可调衰减片，可以通过这个控制光束的衰减，达到控制光强的目的。经过分光镜后，分光镜反射出一束较弱的激光用于TSL230B芯片监测光强，由TSL230B所连的51单片机进行数据处理，达到反馈控制目的。实验时，先在STM32上设置所需要的光强，然后进入自动校准，通过TSL230B采集光斑数据，用51单片机对TSL230B输出的频率信息进行转换和处理，根据图2-16TSL230B的频率-能量关系曲线图对照，得出入射光的光强数据。然后实验测量分光镜分光的比例，计算出系统最终出射光的光强，再通过串口通信发送到STM32上进行显示和反馈调节。STM32通过串口通信接收到51单片机发送的当前的光强数据（L），然后跟设定所需要的光强（L0）进行对比，计算出光强差L=L-L0，然后根据光强差L的正负判断出平移台需要移动的方向，根据光强差的大小控制平移台移动一定的距离。当偏移量接近等于0时，则不控制电机。然后循环进行光束光强的监测和反馈调节。3激光反馈控制系统的构建3.1 系统框架与运作流程本设计中包含许多重要的模块，CMOS摄像头构成的光斑坐标采集模块，STM32和步进电机驱动器构成的步进电机驱动模块与反馈控制模块，51单片机、TSL230B芯片、平移台、可调衰减片构成的光强采集模块与反馈控制模块，STM32构成监测数值显示和数据处理模块。模块化的设计使得各个功能电路之间不会相互造成影响，出错后排查比较方便，只需对对应模块进行调整或更换，处理起来迅速高效。本设计中，激光光束经过光路照射到光斑信息采集模块后，模块采集到光斑分布图送到监测数值显示和数据处理模块将光斑分布图通过精确算法计算出光斑中心坐标，并在STM32上显示光斑。再把光斑中心坐标与设定坐标对比，根据对比的结果驱动步进电机驱动模块和反馈控制模块，转动对应的反射镜，改变光路。光斑信息采集模块再重新采集光斑信息，继续计算出光斑中心坐标，由后面的模块可以判断光斑的位置是否已经是自己想要的位置，循环进行监测和反馈调节，使光路长时间的实时精确对准。激光束光强的自动校正系统的架构及光路如图3-1所示。系统中，激光束从右边进入，先经过平移台上的可调衰减片，经过可调反射镜M1、M3，最后反射后分光镜后，其中大部分光透射出系统，小部分光能被分光镜两个反射面反射，形成两束较弱的激光用于两个不同位置的探测器接收，其中一个为监测光斑坐标位置的CMOS摄像头。由CMOS摄像头所连的STM32进行数据处理和反馈调节来使光路进行自动校准。另一个为监测光强的TSL230B芯片，由TSL230B所连的51单片机进行数据处理。图3-1系统的架构及光路原理图3.2 系统构成模块上一节中介绍了本设计中的各个模块：CMOS摄像头构成的光斑坐标采集模块，STM32和步进电机驱动器构成的步进电机驱动模块与反馈控制模块，51单片机、TSL230B芯片、平移台、可调衰减片构成的光强采集模块与反馈控制模块，STM32构成监测数值显示和数据处理模块。现在将详细介绍这些模块的原理与电路设计，原理图如图3-2 。图3-2系统的电路原理图3.2.1 光斑坐标采集模块本设计中，光斑坐标采集主要是用CMOS摄像头进行光斑图像采集，再传入STM32处理器中进行坐标的计算。激光光源经过光路后，再分光镜的作用下分出光束，其中一束光作为光斑坐标采集的目标入射到CMOS摄像头进行光斑坐标的确定。CMOS摄像头市面有有很多，然而为了和适用于STM32开发板，我选择了配套的ov7670摄像头如图3-3 。在本设计中，所用ov7670摄像头的接线如图3-4所示，分别接到STM32开发板上对应的IO口，1脚为VCC，2脚为GND，3、5、7、16、18脚为先入先出寄存器的配置端，4、6、17脚为摄像头控制端，8、9、10、11、12、13、14、15脚为数据输出端，摄像头采集到的图像数据从这里传输进入单片机。精确算法计算光斑坐标程序如下：/*精确算法数据收集函数*/int precise_algorithm(void)if(xc = 320) xc = 0; yc+; if(yc = 240)yc=0;pac01 = pac01 + gray1 * (xc - 160);/求和pac11 = pac11 + gray1 * (yc - 120);/y求和pac = pac + gray1; xc+;return 0;/*精确算法坐标定位函数*/int precise_algorithm_coordinate(void)if(pac01 -30000)/判断溢出pac01=0;if(pac11 -30000)/判断溢出pac11=0;x0 = 1 * pac01; y0 = 1 * pac11;if(x0 0) x0 = x0 * (-1); n = 1; else n = 0;sumx = x0;x0 = x0 / pac;/公式（2-3）计算if(y0 SR & 0X0001)/溢出中断if(iii != 0) /对不同电机驱动器同时输出脉冲PUL1 = PUL1;iii-;if(jjj != 0)PUL2 = PUL2;jjj-;if(kkk != 0)IPUL1 = IPUL1;kkk-; TIM3-SR &= (1 APB1ENR |= 1 ARR = arr; TIM3-PSC = psc; TIM3-DIER |= 1 CR1 |= 0x01; MY_NVIC_Init(1, 3, TIM3_IRQChannel, 2);return 0; int MOTOR_Control(u8 dir, u8 motor_num, u8 motor_step) if(motor_num = 0) /对不同电机的输出不同个数的脉冲并控制方向iii = motor_step;DIR1 = dir;else if(motor_num = 1)jjj = motor_step;DIR2 = dir;else if(motor_num = 2)kkk = motor_step;IDIR1 = dir;while(iii | jjj | kkk ) /等待所有电机转完;return 0;光束方位自动校准程序如下：if(n = 1 & x0 = 10) /如果x坐标正向偏移而且偏移较大，则控制电机反向转动较大距离MOTOR_Control(1, 1, 4);else if(n = 1 & x0 = 2)/如果x坐标正向偏移而且偏移较小，则控制电机反向转动较小距离MOTOR_Control(1, 1, 2);else if(x0 = 10)/如果x坐标反向偏移而且偏移较大，则控制电机正向转动较大距离MOTOR_Control(0, 1, 4); /MOTOR_Control(1,1); - x- 上else if(x0 = 2)/如果x坐标反向偏移而且偏移较小，则控制电机正向转动较小距离MOTOR_Control(0, 1, 2); /MOTOR_Control(1,1); - x- 上if(m = 1 & y0 = 10)/如果y坐标正向偏移而且偏移较大，则控制电机反向转动较大距离MOTOR_Control(0, 0, 4); /MOTOR_Control(1,0); - y+ 右 else if(m = 1 & y0 = 2)/如果y坐标正向偏移而且偏移较小，则控制电机反向转动较小距离MOTOR_Control(0, 0, 2); else if(y0 = 10)/如果y坐标反向偏移而且偏移较大，则控制电机正向转动较大距离MOTOR_Control(1, 0, 4); /MOTOR_Control(0,0); + y- 左else if(y0 = 2)/如果y坐标反向偏移而且偏移较小，则控制电机正向转动较小距离MOTOR_Control(1, 0, 2);图3-5 TB6560步进电机驱动器图3-6 TB6560步进电机驱动器图3-7 MB450A步进电机驱动器图3-8 MB450A步进电机驱动器共阴接线方式17 图3-9 MB450A步进电机驱动器与步进电机的接线方式17 3.2.3 光强采集模块与反馈控制模块本设计中，光强采集模块与反馈控制模块联系密切。光强采集模块主要由51单片机和TSL230B芯片组成，TSL230B芯片与51单片机接线如图3-10，51单片机最小系统电路图如图3-11 。51单片机通过控制S0、S1 两个端口来控制光强灵敏度，通过控制S2、S3 两个端口选择输出频率分频系数来改变量程；通过OUT 端口读取芯片光电转换出来的频率信息，计算出芯片出输出频率，按照对应关系转换为光强信息输出。反馈控制模块主要是由STM32单片机通过串口接收51单片机发送的光强信息，然后通过步进电机驱动器控制步进电机平移台带动可调衰减片的移动，调节光强的输出。步进电机驱动器同上节所述。步进电机平移台如图3-12。光强采集模块实物图如图3-13。光强监测程序如下：void Time0_Init() /设置计数器计算单位时间脉冲数S0 = 1;S1= 1;S2= 0;S3= 1;i= 0;TMOD = 0x26; TH0= 0xff;TL0= 0xff; TH1= 0xfd;TL1= 0xfd;/设置波特率9600（计算T1处初值）IE= 0x82;TR0= 1;TR1= 1;/启动T1PCON= 0x00;/波特率不加倍SCON= 0x50;/确定串行口控制void Time0_Int() interrupt 1 /计数i+;void main()Time0_Init();while(1)SBUF = i 3;/将频率数据（单位时间的脉冲数）通过串口发送到STM32i = 0;while(!TI);TI=0;Delay(200); 光强自动调节函数如下：/*光强读取函数*/int Light_Read()int a;a = USART1-DR;if(a)light = a * 10;return 0; /*光强自动调节函数*/int Adjust_Spot(void)while(sign)Light_Read();lightsub = light - lightset;if(lightsub100)MOTOR_Control(0, 2, 100);else if(lightsub10)MOTOR_Control(0, 2, 20);else if(lightsub-100)MOTOR_Control(1, 2, 100);else if(lightsub-10)MOTOR_Control(1, 2, 20);return 0;图3-10 光强采集模块电路图图3-11 51最小系统电路图图3-12 步进电机平移台图3-13 光强采集模块实物图3.2.4 监测数值显示和数据处理模块本设计中，监测数值显示和数据处理模块实际上就是STM32单片机的数据处理和显示。STM32本设计用的是正点原子的ALIENTEK战舰STM32如图3-14。监测数值显示和数据处理模块中STM32液晶显示的主界面如图3-15。Motor1、Motor2下面两个正、负键分别对应控制两个转镜转动的正、负两个方向，可以通过按键来控制。LightNow表示当前监测到的光强数据。LightNow下面的四个按键分别表示控制步进电机平移台上的可调衰减片往正负方向移动较小和较大的距离。SpotShow表示显示当前光斑的监测图像和中心坐标。SpotAdjust表示开始光斑中心的自动校准。LightAdjust表示开始设定所需光强值并自动校准。光强监测数值显示和控制界面如图3-16，在主界面按键选择LightAdjust后进入。 LightNow表示当前监测到的光强数据。LightSet下面四个选项分别表示加减设定所需要的光强值。图3-14 ALIENTEK战舰STM32图3-15 stm32主界面图3-16 光强监测数值显示和控制界面4.实验调试与数据分析4.1 激光偏移量的反馈控制校正实验4.1.1 实验步骤（1） 如图3-1搭建系统光路。（2） 给各个模块上电，开启氦氖激光器。（3） 先手动调节，使激光光束进入CMOS摄像头的感光面内，显示当前光斑图像并计算出当前光斑坐标，记录校准前的光斑坐标(x1,y1)。（4） 关灯减少环境光的影响，选择光束方位自动校准按键，进行自动校准。（5） 读取校准完成稳定后的光斑坐标，记作(x2,y2)。（6） 重复多次实验记录数据。4.1.2 实验数据及分析如图4-1所示，实验实际光路中氦氖激光器的激光束首先经过可调衰减之后入射到水平可调反射镜M1，再次反射之后到达固定反射镜M2，然后入射到控制竖直偏移量的可调反射镜M3。再次反射后入射到分光镜，其中大部分光能透射，小部分光能被分光镜的两个反射面反射分出两束光，其中一束光被CMOS探测器接收。CMOS摄像头采集出激光光斑的图像信息并输入到STM32单片机中在液晶屏上实时显示出光斑图像，同时STM32单片机经过精确算法计算出实时光斑中心坐标，与中心点作对比，根据结果给步进电机驱动器输出脉冲和电平信号，驱动步进电机往不同方向转移一定的的角度，带动反射镜的转动，做到激光光束方位的实时校准。因为环境光会对CMOS摄像头采集到的光斑图像数据有影响，会造成STM32单片机运用精确算法计算光斑坐标时不准确，所以本设计选在暗室的条件下进行整个实验。手动调节光束进入CMOS摄像头感光面之后，自动校准之前激光光斑图像和中心坐标如图4-2。自动校准之后激光光斑图像和中心坐标如图4-3。图4-1 激光方位实时单靶对准系统实际光路图图4-2 激光方位自动校准之前激光光斑图像和中心坐标图4-3 激光方位自动校准之后激光光斑图像和中心坐标4.1.2.1 校准准确度测量重复多次校准实验的校准后光斑中心坐标数据如下：表4-1 自动校准前