基于单片机的自动对焦系统的硬件设计中期报告 B09010137王静 导师：吴慎将.doc

西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）中期报告题目：基于单片机自动对焦系统的硬件设计 系 别 光电信息系 专 业 测控技术与仪器 班 级 B090101 姓 名 王 静 学 号 37 导 师 吴慎将 2013 年 3 月 15 日1、设计（论文）进展状况本课题拟设计一个基于单片机的激光打标机的自动对焦系统。以51单片机作为主控芯片，设计对焦方案，使对焦误差在允许范围内（2mm以内），设计完成单片机最小系统以及与各个模块之间的连接电路；完成伺服系统的硬件电路设计，使其可以在MCU的控制下完成相应动作。1.1方案论证在设计前期，提出了两种方案，即超声波测距和用光电池寻找焦点。前者较为复杂，设计主要在于测距模块，测距仪与激光打标机的装配不容易实现。后者较前者简单，设计主要在于寻找两束光的汇聚点（既焦点），同时需要步进电机的精确配合，精度比方案一高。经实验证明，光电池接收一束红光与接收两束红光电压变化较小，且光电池受外界光源影响较大，故改光电池为光敏电阻后，经验证可实现本设计要求。本设计硬件部分的系统主要分为三部分， 51单片机模块、步进电机及驱动电路模块、辅助光源、光敏电阻及电压比较器模块。图1 方案框图具体工作原理：将光敏电阻放置在工作台上的工件表面上，激光打标机发射的准直激光与辅助光源发射出的红光相交于一点（该点为焦点），用步进电机调节距离，寻找该点。方法是：用光敏电阻遇强光之后输出电阻值，两端外加电压后，用电压比较器比较出高电平，输入到51单片机进行处理，信号反馈到步进电机模块，经驱动电路进行信号放大后，传输给步进电机，并由步进电机调整距离至焦点处。注：如果实现自动对焦，首先必须使系统初始化（将工作台面移至交点以下，即物距已知焦距）。1.2各模块芯片选型1.2.1单片机最小系统单片机最小系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路、串口通讯、电源。a 单片机选用89C52芯片，它属于标准的MCS-51的HCMOS产品。基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。b 复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。 c 在本设计中，单片机最小系统晶振采用11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)，与晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。在正常工作的情况下用高频率的晶振，其振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。1.2.2 光电池及电压比较器模块1）光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。 2）电压比较器是将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。电压比较器的功能：比较两个电压的大小：当”+”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”+”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平。LM339是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合，它也是一种运算放大器。图1 LM339电压比较器1.2.3步进电机模块步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。1） 28BYJ48步进电机的主要特性:a 步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动，转动的速度和脉冲的频率成正比。b 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。c 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。2)驱动电路芯片选用ULN2003芯片图2 步进电机驱动电路电路图2）ULN2003的内部结构和功能 ULN2003是一种高耐压、大电流的达林顿陈列，由七个NPN达林顿管组成。每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003的内部结构如图1，灌电流可达500mA，并且在关态时能够承受50V的电压，可以在高负载电流下并行输出运行。其中，由单片机AT89C51的2528脚作为ULN2003的14口输入端所构成的步进电机驱动电路。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。ULN2003的作用ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。 输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。经常在以下电路中使用，作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等电路中。该驱动电路的特点如下: a ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。b ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。图3 ULN2003引脚图ULN2003A的输出结构是集电极开路的，要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。表1 ULN2003各引脚功能1.3 现阶段进展程度 完成了单片机最小系统电路板焊接，步进电机驱动电路与单片机最小系统的连接，步进电机模块与单片机配合可以正常运转。2、存在问题及解决措施1）在焊接单片机最小系统电路板的时候，在下载跑马灯程序后，出现闪灯一轮后灯全闪一次之后再重复的情况，经查找资料后，检查电路板焊接，发现上拉电阻焊接有问题。经改正后，工作正常。2）在步进电机与驱动电路和单片机连接时，步进电机正反转程序下载进去以后，步进电机不运转，在检查线路连接和查资料后，得到解决这一问题是输入高电平输出零点几伏，输入低电平输出零，说明芯片工作正常。因为ULN2003的输出结构是集电极开路的，所