方案論證與比較樣本

目錄目錄 1一、控制模塊： 1二、電機(jī)模塊： 2三、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)（尋跡）模塊 6八、位置傳感模塊 6九、溫度傳感器模塊 7信號(hào)類模塊總結(jié)： 8十、微信號(hào)檢測(cè)電路 8十一、移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 8十二、運(yùn)放型號(hào)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(shí)現(xiàn)各種復(fù)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(diào)試，易于進(jìn)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(shí)時(shí)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(shè)計(jì)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，但是由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)解決時(shí)間規(guī)定不高，F(xiàn)PGA高速解決優(yōu)勢(shì)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(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接工作。 51單片機(jī)——老式51單片機(jī)廣為應(yīng)用，具備使用簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜等長(zhǎng)處，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容原則MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置用8位中央解決器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。AT89C51單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。但是其運(yùn)算速度較慢，功能相對(duì)單一，難以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜任務(wù)規(guī)定。 MSP430F149——MSP430系列單片機(jī)是一種16位單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集構(gòu)造，具備豐富尋址方式、簡(jiǎn)潔27條內(nèi)核指令以及大量模仿指令；大量寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加各種運(yùn)算，尚有高效查表解決指令。并且MSP430單片機(jī)還具備解決能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快和超低功耗等長(zhǎng)處。MC9S12XS128——是一款功能強(qiáng)大16位微控制器，具備豐富片上資源，涉及10位精度ADC、強(qiáng)大定期器、串行口等，支持浮點(diǎn)型運(yùn)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(yīng)用。凌陽公司SPCE061A單片機(jī)——該單片機(jī)I/O口資源豐富，并集成了語音功能。芯片內(nèi)置JTAG電路，可在線仿真調(diào)試，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試復(fù)雜度。二、電機(jī)模塊：直流電機(jī)——直流電機(jī)力量大，能獲得較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，調(diào)速范疇廣且以便，易于平滑調(diào)節(jié)和控制，可靠性高，調(diào)速時(shí)能量損耗較小和過載、起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、低速性能好，運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)、噪音低和效率高等長(zhǎng)處。但由于其控制精度較低，不能精準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度。直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能“令行禁止’,但是可以通過檢測(cè)角度然后采用斷電使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以調(diào)節(jié)程序使電機(jī)可以依照擺桿角度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與方向。步進(jìn)電機(jī)——步進(jìn)電機(jī)不需要使用傳感器就可以通過給脈沖數(shù)轉(zhuǎn)過固定角度，并且可以控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度，定距運(yùn)動(dòng)較精準(zhǔn)。步進(jìn)電機(jī)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(lǐng)域控制操作非常簡(jiǎn)樸。此外步進(jìn)電機(jī)尚有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快易于起停，易于正反速及變速等長(zhǎng)處。但步進(jìn)電機(jī)功率相對(duì)較少，轉(zhuǎn)速不高，并且是一令一轉(zhuǎn)，在運(yùn)營(yíng)時(shí)噪音大、高速扭矩小，啟動(dòng)頻率低，價(jià)格較高。（機(jī)翼電機(jī)模塊： 直流電機(jī)又分為直流無刷電機(jī)和直流有刷電機(jī)。 有刷電機(jī)——有刷電機(jī)具備啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、可在大范疇內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電機(jī)相對(duì)簡(jiǎn)樸等特點(diǎn)。但有刷電機(jī)使用時(shí)功耗大、轉(zhuǎn)速低、壽命短、噪聲大且極易磨損。 無刷電機(jī)——無刷電機(jī)控制電路相對(duì)復(fù)雜，但無刷電機(jī)功耗只有有刷電機(jī)1/3，壽命是有刷電機(jī)4倍，但轉(zhuǎn)速也遠(yuǎn)高于有刷電機(jī)，且低噪音、低干擾且絕對(duì)無磨損。）三、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)選取： 單電壓驅(qū)動(dòng)——單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一種電壓電源對(duì)繞組供電，她特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)樸，普通只用于小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 雙電壓驅(qū)動(dòng)——雙電壓驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)，在高頻段使用較高電壓驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)辦法在低頻段具備單電壓驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，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(jī)口線少、節(jié)約單片機(jī)時(shí)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(hào)等點(diǎn)陣型液晶模塊，但是它具備顯示內(nèi)容較少，沒有中文字庫(kù)，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(zhǎng)處，并且擁有中文字庫(kù)，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(fù)雜，顯示信息量較小，且動(dòng)態(tài)掃描需要占用大量單片機(jī)時(shí)間和大量單片機(jī)I/O口，無法做到實(shí)時(shí)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(fù)雜。數(shù)字?jǐn)z像頭——數(shù)字?jǐn)z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(zhǎng)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(shí)序性，并且操作簡(jiǎn)樸。但慣用串行總線傳播距離短。 無線模塊——通過串口結(jié)合無線模塊形式可以將3米距離主機(jī)和從機(jī)聯(lián)系，沒有了線約束，大大改進(jìn)了系統(tǒng)靈活性。但是無線模塊需要加入串口結(jié)合無線收發(fā)模塊方式，硬件架構(gòu)較為復(fù)雜。 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN總線——CAN總線有嚴(yán)密校驗(yàn)功能，并且在信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定狀況下，最長(zhǎng)傳播距離長(zhǎng)達(dá)10km。CAN總線傳播距離短并且只需要加入兩個(gè)獨(dú)立CAN控制器小模塊，實(shí)行較為以便，并且能保證傳播嚴(yán)密性。（獨(dú)立CAN控制器MCP2515） MC9S12XS128MC9S12XS128SPIMCP2515MC9S12XS128MCP2515SPICAN七、黑線探測(cè)（尋跡）模塊 多路陣列式光敏電阻構(gòu)成光電探測(cè)器——光敏電阻探測(cè)到黑線時(shí)，黑線上方電阻值發(fā)生變化，通過電壓比較器比較將信號(hào)送給單片機(jī)解決，從而控制物體做相應(yīng)動(dòng)作。但由于光敏電阻對(duì)環(huán)境光辨認(rèn)，容易受到外界環(huán)境光影響。 紅外反射式探測(cè)——用已調(diào)紅外線垂直射到板面，經(jīng)反射后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入單片機(jī)解決。由于使用是紅外線，抗干擾能力強(qiáng)，不受外界自然光影響，循跡效果好。并且尺寸小、質(zhì)量輕，便于安裝。反射式光電檢測(cè)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(diǎn)，外圍電路簡(jiǎn)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(fù)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)樸、性能穩(wěn)定性高。 熱探測(cè)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(zhǎng)沒關(guān)于系，即對(duì)紅外輻射吸取沒有波長(zhǎng)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(huì)對(duì)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(biāo)線旁邊安裝一光電傳感器，物體坐標(biāo)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(huì)比較多，導(dǎo)致方案幾乎不可實(shí)現(xiàn)。 軟件辦法擬定物體位置——單片機(jī)控制物體從某個(gè)已知坐標(biāo)位置出發(fā)，并且記錄步進(jìn)電機(jī)每一次移動(dòng)狀況，就可以通過一定算法計(jì)算出物體位置。這種方案系統(tǒng)簡(jiǎn)樸，避免了硬件過于復(fù)雜特點(diǎn)。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(jìn)行測(cè)溫，成本較高，調(diào)試復(fù)雜。NTC型熱敏電阻——需要借助A/D對(duì)電壓進(jìn)行采集，耗用資源較大，調(diào)試較復(fù)雜。她是一種線性溫度-電壓轉(zhuǎn)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(cè)溫范疇在-200~200度之間。但是這個(gè)溫度相應(yīng)唯一電壓值，讀取是電壓，需要做相應(yīng)轉(zhuǎn)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(jī)進(jìn)行通信，占用資源較少，敏捷度較高，分度值可達(dá)到0.0625度。它內(nèi)含AD轉(zhuǎn)換器，因而線路連接十分簡(jiǎn)樸，無需其她外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，電路十分簡(jiǎn)樸，它可以達(dá)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(dá)到0.2度以上精度，應(yīng)用以便，這樣電路重要工作量就集中到了單片機(jī)軟件編程上。信號(hào)類模塊總結(jié)：十、微信號(hào)檢測(cè)電路 濾波電路檢測(cè)微小信號(hào)——通過濾波電路將微小信號(hào)從強(qiáng)噪音中檢測(cè)出來，但濾波電路中心頻率是固定，而信號(hào)頻率是可變，也許達(dá)不到某些規(guī)定。 取樣積分電路檢測(cè)微小信號(hào)——運(yùn)用取樣技術(shù)，在重復(fù)信號(hào)浮現(xiàn)期間取樣，并重復(fù)N次，則測(cè)量成果信噪比可改進(jìn)倍，但是這種取樣效率低，不利于重復(fù)頻率信號(hào)恢復(fù)。 鎖相放大器檢測(cè)信號(hào)——鎖相放大器由信號(hào)通道、參照通道和相敏檢波器等構(gòu)成，其中相敏檢波器（PSD）是鎖相放大器核心，PSD把從信號(hào)通道輸出被測(cè)交流信號(hào)進(jìn)行相敏檢波轉(zhuǎn)換成直流，只有同頻同相時(shí)，輸出電流最大，具備較好檢波特性。適合測(cè)試信號(hào)頻率是指定且噪聲強(qiáng)，信號(hào)弱。十一、移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)移相網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)兩級(jí)濾波則可使移相范疇達(dá)到360度。且電路簡(jiǎn)樸可靠。 采用數(shù)字移相辦法——數(shù)字移相可以在4個(gè)象限內(nèi)進(jìn)行0~89度調(diào)節(jié)，合起來即實(shí)現(xiàn)了0~360度移相，有集成芯片控制頻率和相位預(yù)值，如用CD4046鎖相環(huán)構(gòu)成。但電路復(fù)雜，成本也很高。十二、運(yùn)放型號(hào)選取 OPA2227——高精度、低噪音運(yùn)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(diào)電壓最大值2mV。 OPA2340——單電源、軌到軌運(yùn)算放大器，通頻帶5.5MHz,高轉(zhuǎn)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(yùn)算放大器，?90mA輸出驅(qū)動(dòng)能力，增益帶寬積6.4MHz，輸入噪聲電壓11nV/√Hz,輸入補(bǔ)償電壓100uV。（有關(guān)芯片：TL082——雙運(yùn)算放大器，雙列8腳封裝，電源電壓±3V~±18V，通用J-FET雙運(yùn)算放大器。特點(diǎn)：較低輸入偏置電壓和偏移電流，輸出設(shè)有短路保護(hù)，輸入級(jí)具備較高輸入阻抗，內(nèi)建頻率補(bǔ)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(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器，相比較大多數(shù)原則運(yùn)算放大器，能顯示出更好噪聲性能，提高輸出驅(qū)動(dòng)和相稱高小信號(hào)和電源帶寬。適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)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(biāo)。）十三、聲響模塊 集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器——可以使揚(yáng)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(bǔ)放大電路——由于三極管導(dǎo)通壓降非常小，自身消耗功率幾乎可以不計(jì)，因此可以達(dá)到很高效率，同步電路具備較好功率放大效果，電路搭建簡(jiǎn)樸以便且滿足低功耗。 模仿器件搭建一種信號(hào)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(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，人為通過純電路產(chǎn)生某個(gè)可辨認(rèn)信號(hào)，電路構(gòu)造復(fù)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(rèn)。 采用STC89C52單片機(jī)發(fā)生符合規(guī)定聲音信號(hào)，再通過三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。此方案靈活以便，電路和程序簡(jiǎn)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(cè)物體運(yùn)動(dòng)和方向傳感器。它依照物體運(yùn)動(dòng)和方向變化自身輸出電壓值。如果物體沿著某個(gè)方向活動(dòng)，或者受到重力作用，輸出電壓就會(huì)依照其運(yùn)動(dòng)方向以及設(shè)定傳感器敏捷度而輸出電壓，同步再用單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)化器讀取此信號(hào)，就可以檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)于AD值得采集就有了不少誤差。 WDD35D-4角度傳感器——WDD35D-4本質(zhì)上是一種大型號(hào)電位器其精度在0.1%，標(biāo)稱阻值在0.5~10千歐之間，機(jī)械轉(zhuǎn)角可達(dá)360度，電氣旋角為330度，測(cè)量角度最大偏差為0.345度，旋轉(zhuǎn)角度傳感器轉(zhuǎn)軸時(shí)其阻值隨之變化，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)360度后，電阻值與旋轉(zhuǎn)前相等，一次，可通過讀取電阻值大小來計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度，也可以運(yùn)用ADC采樣將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值來判斷旋轉(zhuǎn)角度。由于WDD35D-4有轉(zhuǎn)軸，可直接與擺桿固定，擺桿所擺過角度就是轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過角度，這樣不但盡量小避免了擺桿與轉(zhuǎn)軸之間由于固定問題所導(dǎo)致誤差，也較好解決擺桿安裝問題。 采用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器——光電旋轉(zhuǎn)編碼器是一種角度（角速度）檢測(cè)裝置，它將輸入給軸角度量，運(yùn)用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電脈沖。旋轉(zhuǎn)編碼器具備體積小，精度高，工作可靠。接口數(shù)字化等長(zhǎng)處。但是旋轉(zhuǎn)編碼器安裝較為不便，增長(zhǎng)了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)工作量。十五、角度傳感器固定 用膠管將電機(jī)轉(zhuǎn)軸與角度傳感器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，但是膠管軟件兩軸連接某些不穩(wěn)定易錯(cuò)位，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致膠管斷裂，連接時(shí)不好固定。 用齒輪構(gòu)造——齒輪構(gòu)造是一種轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)造，兩齒輪之間連接使得齒輪構(gòu)造具備良好穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過高時(shí)這種構(gòu)造精準(zhǔn)性也不會(huì)減少，并且連接兩軸旋轉(zhuǎn)完全同步。十六、升降壓電路選取 采用BUCK電路與BOOST電路相結(jié)合組合電路——由單片機(jī)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(huì)變成不不大于24VDC。系統(tǒng)規(guī)定輸出電壓穩(wěn)定在36V，此時(shí)單片機(jī)經(jīng)由AD采集轉(zhuǎn)換判斷經(jīng)橋堆后電壓是不不大于36V還是不大于36V，當(dāng)不大于36V時(shí)單片機(jī)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(guān)管IRF540調(diào)節(jié)輸出電壓，開關(guān)管受AVR單片機(jī)產(chǎn)生PWM波經(jīng)由IR2104驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償法——其基本原理是把具備容性功率負(fù)載裝置與感性功率負(fù)荷裝置并聯(lián)在同一電路中，當(dāng)容性負(fù)荷釋放能量時(shí)，感性負(fù)荷吸取能量，而當(dāng)感性負(fù)荷釋放能量時(shí)，容性負(fù)荷吸取能量。能量在兩種負(fù)荷中互換，感性負(fù)荷所吸取無源功率可從容性負(fù)荷輸出無功功率中得到補(bǔ)償。普通采用辦法是并聯(lián)電容法，但是由于無源功率補(bǔ)償其功率因數(shù)普通達(dá)到70%左右，不具備良好補(bǔ)償性。 有源功率因數(shù)校正，目在于改進(jìn)電源輸出功率因數(shù)，減小輸入電流諧