方案-方案论证与比较.doc

目录目录 1一、 控制模块： 1二、 电机模块： 3三、 步进电机的驱动选择： 4四、 显示模块： 4五、 图像采集模块： 5六、 通信模块： 5七、 黑线探测（寻迹）模块 6八、 位置传感模块 7九、 温度传感器模块 7信号类模块总结： 8十、号检测电路 8十一、移相网络设计 9十二、运放型号的选择 9十三、声响模块 10十四、角度传感器的选择 11十五、角度传感器的固定 12一、控制模块：FPGA为系统的控制器——FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,模块大，密度高，他将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提 高了稳定性，并且可适用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制 FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为 大规模实时系统的控制核心通过输入模块将参数输入给FPGA, FPGA通过程序设计控制步进电机运动，但是由于本设计对数据处理 的时间要求不高，FPGA的高速处理优势得不到充分体现，并且由于 集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路 板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作51单片机——传统的51单片机广为应用，具有使用简便、价格 便宜等优点，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生 产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置用8位处理器和Flash 存储单元，功能强大。

AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域 但是其运算速度较慢，功能相对单一，难以实现较为复杂的任务要求MSP430F149——MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采 用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令 以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多 种运算，还有高效的查表处理指令而且MSP430单片机还具有处理 能力强、运算速度快和超低功耗等优点MC9S12XS128——是一款功能强大的16位微控制器，具有丰富 的片上资源，包括10位精度的ADC、强大的定吋器、串行口等，支 持浮点型运算，并且还有精密的比较器，大容量的RAM和ROM, 在工业环境有较广泛的应用凌阳公司的SPCE061A单片机——该单片机I/O 口资源丰富，并 集成了语音功能芯片内置JTAG电路，可仿真调试，大大简化了系统开发调试的复杂度二、电机模块:直流电机 直流电机力量大，能获得较大的启动转矩，转动速 度快，调速范围广且方便，易于平滑调节和控制，可靠性高，调速时 的能量损耗较小和过载、起动、制动转矩大、低速性能好，运行平稳、 噪音低和效率高等优点但由于其控制精度较低，不能精确的转动固 定角度。

直流电机转轴不能“令行禁止，但是可以通过检测角度然后 采取断电使电机停止转动，而且可以调整程序使电机能够根据摆杆的 角度调整转速与方向步进电机一一步进电机不需要使用传感器就能够通过给的的脉 冲数转过固定的角度，并且能够控制转动速度，定距运动较精确步 进电机只有周期性的误差，而无累积误差，使得它在速度、位置等控制领域的控制操作非常简单另外步进电机还有动态响应快易于起 停，易于正反速及变速等优点 但步进电机的功率相对较少，转速 不高，并且是一令一转，在运行时噪音大、高速扭矩小，启动频率低, 价格较咼机翼电机模块:直流电机又分为直流无刷电机和直流有刷电机有刷电机——有刷电机具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电机相对简单等特点但有刷电机使用时功耗大、 转速低、寿命短、噪声大JCL极易磨损无刷电机——无刷电机的控制电路相对复杂，但无刷电机的功耗只有有刷电机的1/3,寿命是有刷电机的4倍，但转速也远高于有刷电机，且低噪音、低干扰且绝对无磨损三、步进电机的驱动选择：单电压驱动——单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一 个电压电源对绕组供电，他的特点是电路简单，一般只用于小功率步 进电机的驱动。

双电压驱动——双电压驱动是用来提高电阻的方法使绕组中 的电流上升波形变陡他的基本思路是在低频段使用较低的电压驱 动，在高频段使用较高的电压驱动，这种驱动方法在低频段具有单电 压驱动特点，在高频段具有良好的高频性能S3单电压驱动原理图 1 “1S3 W*图4双电压驱动原理图四、显示模块:LCD液晶显示屏——微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、 字迹清晰、美观、视觉舒适显示容量大、占用单片机口线少、节省 单片机时间包括1602和12864液晶显示屏）1602液晶显示屏 1602液晶显示屏体积小、超薄轻巧，它是 一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，但是它具 有显示内容较少，没有汉字字库，不能显示曲线等缺点12864液晶显示屏——16824液晶显示屏具有微功耗、显示信息量 大、字迹清晰、美观等优点，并且拥有汉字字库，可以显示曲线LED数码管——LED数码管亮度高，醒目，但是其电路复朵，显 示信息量较小，且动态扫描需要占用大量单片机时间和大量单片机 I/O 口，无法做到实时显示五、图像釆集模块:模拟摄像头——模拟摄像头具有，但是需要多路AD采集，处理 起来较为复杂数字摄像头——数字摄像头能够直接返回图像的亮度、色度等信 息的数字值，且可以选择GBR、YUV等多种形式输出，具有操作方 便的优点。

OV6260）六、通信模块:串行通信——串行总线主耍包括IIC总线和SPI总线，两者有较 高的吋序性，而且操作简单但常用的串行总线传输距离短无线模块——通过串口结合无线模块的形式可以将3米距离的主 机和从机联系，没有了线的约束，大大改善了系统的灵活性但是无 线模块需要加入串口结合无线收发模块的方式，硬件架构较为复杂现场总线CAN总线——CAN总线有严密的校验功能，而且在信 号强度稳定的情况下，最长的传输距离长达lOkmo CAN总线传输距 离短而且只需要加入两个独立的CAN控制器小模块，实施较为方便, 而且能保证传输严密性独立的CAN控制器MCP2515）□ y七、黑线探测（寻迹）模块多路阵列式光敏电阻组成的光电探测器——光敏电阻探测到黑线 时，黑线上方的电阻值发生变化，经过电压比较器比较将信号送给单 片机处理，从而控制物体做相应的动作但由于光敏电阻对环境光的 识别，容易受到外界环境光的影响红外反射式探测——用已调的红外线垂直射到板面，经反射后转 换为电信号送入单片机处理由于使用的是红外线，抗干扰能力强， 不受外界自然光的影响，循迹效果好而且尺寸小、质量轻，便于安 装反射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度 高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。

用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定性高热探测器——由于温度变化是因为吸收热能辐射能量引起的，与 吸收红外辐射的波长没有关系，即对红外辐射吸收没有波长的选择， 因此受外界环境影响比较大用发光二极管和光敏三极管组合——缺点在于其他环境的光源会 对光敏二极管产生很大的干扰八、 位置传感模块光电传感器一一在物体安装水平和垂直方向安装两只激光笔，在 板边缘每条坐标线旁边安装一光电传感器，物体坐标所在处的传感器 接收到激光笔，即可确定物体位置但用到的光电传感器会比较多， 造成方案儿乎不可实现软件方法确定物体位置一一单片机控制物体从某个已知的坐标位 置岀发，并且记录步进电机的每一次移动情况，就可以通过一定的算 法计算出物体的位置这种方案系统简单，避免了硬件过于复杂的特 点但由于没有位置传感器，精度较低九、 温度传感器模块热电偶——需要配备专用的芯片进行测温，成本较高，调试复杂NTC型热敏电阻——需要借助A/D对电压进行采集，耗用资源较 大，调试较复杂他是一种线性温度■电压转换电路，再通过工作电 路（lOOuA）的条件下，元件的电压随温度呈线性变化测温范围在 -200-200度之间。

但是这个温度对应唯一的电压值，读取的是电压, 需要做相应的转换才能变成温度，很不方便DS18B20温度传感器——并用单总线与主机进行通信，占用资源 较少,灵敏度较高，分度值可达到0.0625度它内含AD转换器， 因此线路连接十分简单，无需其他外加电路，直接输出数字量，可直 接与单片机通信，读取测温数据，电路十分简单，它能够达到0.5度 的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器的方法还能达到0.2度以上 的精度，应用方便，这样的电路主要工作量就集中到了单片机软件编 程上信号类模块总结：十、号检测电路滤波电路检测微小信号一一通过滤波电路将微小信号从 强噪音中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号 的频率是可变的，可能达不到某些要求取样积分电路检测微小信号——利用取样技术，在重复信 号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改 善俯倍，但是这种取样效率低,不利丁•重复频率的信号恢复锁相放大器检测信号——锁相放大器由信号通道、参考通 道和相敏检波器等组成，其中相敏检波器（PSD）是锁相放 大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相 敏检波转换成直流，只有同频同相时，输出电流最大，具有 很好的检波特性。

适合测试信号的频率是指定的且噪声强， 信号弱2. 1锁祁政大器原理锁相放犬器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成，是一种对交变 信号进行相敏检波的放大器它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为 比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的噪声分量有响应所以它 能大幅度抑制噪声信号，提取出有用信号一般锁相放犬器具有极高的放犬倍数，若有 辅助前墨放大器，増益可达220dB,能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输 出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声能力它和一般的带通放犬器不同，输出 信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号十一、移相网络设计移相网络是锁相放大器中的一部分全通滤波器模拟移相电路一一一阶全通滤波器的移相范围接近 180度，通过设计两级滤波则可使移相范围达到360度且电路简单 可靠采用数字移相方法——数字移相可以在4个象限内进行0〜89度的 调节，合起来即实现了 0〜360度的移相，有集成芯片控制频率和相位 预值，如用CD4046锁相环组成但电路复杂，成本也很高十二、运放型号的选择OPA2227 高精度、低噪音的运算放大器，最低噪声8nV/Hz,通屏带宽8MHz,输入电源范围土2.5V〜18V,输入偏置电流最大值 100pA,输入失调电压最大值2mV。

OPA2340——单电源、轨到轨的运算放大器，通频带5.5MHz,高 转换速率6V/us,低噪声，低静态电流750uA/channel.TLV2460——TLV2460带掉电模式的低功耗，轨到轨输入/出的运 算放大器，T90niA的输出驱动能力，增益带宽积6. 4MHz,输入噪声电 压llnV/JHz,输入补偿电压lOOuVo（相关芯片:TL082——双运算放大器，双列8脚封装，电源电压土3V〜土18V, 通用的J-FET双运算放大器特点：较低的输入偏置电压和偏移电流, 输出设有短路保护，输入级具有较高的输入阻抗，内建频率补偿电路, 较高的压摆率，最大工作电压Vmax= I8V0NE5532、SE5532、SA5532、SE5532A、NE5532A、SA553——是-•种双运放高性能的低噪声运算放大器，相比较大多数标 准运算放大器，能显示出更好的噪声性能，提高输出驱动和相当 高的小信号和电源带宽 适合应用在高品质和专业。