基于可調(diào)式模擬激光脈沖的激光告警器在線檢測儀

　　檢測儀機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

　　根據(jù)上述原理，我們設(shè)計(jì)了如圖2所示的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)模擬光源在半球面上的可控移動。

　　如圖2所示，該結(jié)構(gòu)外層為一半球型罩，用于屏蔽外界雜散光干擾;下部為圓環(huán)盤型底座，其上固定有環(huán)形齒條;環(huán)形水平導(dǎo)軌位于底座上，在步進(jìn)電機(jī)1的驅(qū)動下為激光管提供方位角調(diào)節(jié);帶有齒條的半環(huán)型垂直導(dǎo)軌連接于水平導(dǎo)軌上，其兩端的間距等于水平導(dǎo)軌直徑。步進(jìn)電機(jī)2帶動激光管在垂直面上運(yùn)動，為激光管提供俯仰角調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)整體緊湊、重量輕(材料為玻璃鋼)、便于安裝與運(yùn)輸，使用時不需將告警器從裝備上拆下，也不存在檢測死角問題。

　　步進(jìn)電機(jī)采用常規(guī)的2相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8o。電機(jī)1輸出軸齒輪與水平導(dǎo)軌齒條的齒數(shù)比為1:22.3，電機(jī)2輸出軸齒輪與垂直導(dǎo)軌齒條的齒數(shù)比1:12.5(180o覆蓋)，故方位角的最小調(diào)節(jié)量為0.08o，俯仰角的最小調(diào)節(jié)量為0.072o，滿足要求。

　　檢測儀電路

　　本文所設(shè)計(jì)的告警器檢測儀控制電路如圖3所示?？刂齐娐返暮诵臑?位Atmel AVR單片機(jī)ATmega16[3]，具有內(nèi)部資源豐富、速度快、價(jià)格低廉和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，非常適合于便攜式控制設(shè)備。圖中，IC2為SPI接口12bit串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器LTC1456，可直接與ATmega16的SPI接口連接，簡化了軟硬件設(shè)計(jì)。LD1和LD2分別是輸出波長為1.06mm和1.54mm[4]的激光二極管，作為檢測儀的模擬光源，由步進(jìn)電機(jī)M1和M2驅(qū)動，運(yùn)行在圖2所示的導(dǎo)軌上。為了實(shí)現(xiàn)激光管輸出功率的可調(diào)，必須對其電流進(jìn)行控制，故設(shè)計(jì)了由IC2、運(yùn)放IC3、場效應(yīng)管Q和電阻R4構(gòu)成數(shù)控電流源[5]。其工作原理為：單片機(jī)根據(jù)所需設(shè)定的激光輸出功率對IC2寫入控制字后，VOUT端隨即輸出相應(yīng)電壓;運(yùn)放工作時同、反相輸入端“虛短”，這一作用必然令Q的源極輸出一個電流值，使R4上的電壓與IC3同相輸入端電壓相等，從而實(shí)現(xiàn)了電流的數(shù)字控制。場效應(yīng)管柵極電流為零，其源、漏極電流相等，故控制精度高，避免了采用雙極型晶體管時控制精度受到基極分流影響的問題。R4采用溫度系數(shù)小的精密線繞電阻，減小了溫度對電流控制精度的影響，同時具有較強(qiáng)的抗過載能力。由于兩種激光管的輸出功率——電流曲線不同，故切換激光管時也必須“通知”單片機(jī)，以保持正確的電流控制規(guī)律，因此設(shè)計(jì)了S1_1和S1_2構(gòu)成的聯(lián)動開關(guān)，單片機(jī)通過檢測PD4上的邏輯電平來判斷當(dāng)前與Q相接的激光管，以調(diào)整控制系數(shù)。LTC1456具有異步清零端，這就為激光的調(diào)制提供了方便：通過設(shè)定單片機(jī)的定時器中斷，使其溢出頻率2倍于欲設(shè)定的調(diào)制頻率，對IC2交替進(jìn)行寫入和清零即可。

　　DR1和DR2是2相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)等于驅(qū)動器控制端P接收到脈沖數(shù)，而D端是方向控制端;故可控制激光管運(yùn)行至圖2所示半球面上的任意一點(diǎn)。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性，起步時的輸入到P端的脈沖頻率不能太高，以防電機(jī)失步而使定位控制出現(xiàn)誤差。如上文分析，方位角和俯仰角的調(diào)節(jié)已經(jīng)足夠精細(xì)，故不需對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動，節(jié)約了成本。

　　根據(jù)用戶要求，該檢測儀應(yīng)能與PC機(jī)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理與操作功能，為此設(shè)計(jì)了以IC4 MAX232為核心的電平轉(zhuǎn)換器，該芯片在5V工作電壓下可產(chǎn)生-10V的負(fù)壓輸出，從而與PC機(jī)的RS-232串口實(shí)現(xiàn)電平兼容，數(shù)據(jù)和命令字得以傳輸。

　　在不具備PC的條件下，檢測儀通過一個3×3鍵盤實(shí)現(xiàn)功能操作。其工作原理如下：單片機(jī)上電后將PB0~PB2配置為低電平，而將PD5~PD7配置為高電平(AVR單片機(jī)I/O口為推挽輸出，強(qiáng)上拉)，此時3輸入與門IC5的輸出為高電平。當(dāng)有按鍵按下時，IC5輸入端出現(xiàn)低電平，故輸出下降沿，使INT0中斷;進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，首先將PB0~PB2配置為弱上拉輸入模式，然后將PD5置低，接著讀取PB0~PB2的邏輯電平。由于單片機(jī)內(nèi)部上拉電阻(數(shù)十KW)遠(yuǎn)大于R1~R3(2KW)，因此若K3、K6或K9按下，則必然能在PB0、PB1或PB2讀到邏輯0，從而判斷出所按下的鍵號。若未發(fā)現(xiàn)PB0~PB2上有低電平，則說明被按下的鍵不在此列，恢復(fù)PD5的高電平，依次置低PD6和PD7，重復(fù)上述過程，直至找到所按下的鍵。