四象限位置测量系统设计实验.doc

光电系统设计报告
设计题目： 四象限位置测量
系统设计实验
专业班级：
学生姓名：
学生学号：
指导教师：
设计时间： 2017/12/29
1、 设计题方案论证；
实验采用激光器作为光源，四象限探测器作为光电探测接收器，根据电子和差式原理，实现可以直观、快速观测定位跟踪目标方位的光电定向装置，是目前应用最广泛的一种光电定向方式。
光发射电路主要由光源驱动器、光源（主要是半导体光源，包括LED、LD等）、光功率自动控制电路（APC）等部分组成。用NE555组成的脉冲发生电路来驱动650nm的激光器。
四象限位置测量器是以光导模式工作的光伏探测器件。它利用集成电路光刻技术将一个探测器件光敏面窗口分割成4个面积相等、形状相同、位置对称的区域而形成,4个探测区域具有基本相同的性能参数。作为一种常用的位置敏感器件,当入射光点落在器件感光面的不同位置时,四象限探测器输出不同的电信号,通过对此电信号进行处理,可以确定入射光点在感光面上的位置。四象限光电探测器广泛应用于激光准直、测角、自动跟踪等精密光电检测系统中,通过对光斑中心位置的精确定位来检测位移或偏角的大小。
它利用半导体材料吸收光子能量引起的电子跃迁，将光信号转换为电信号。通常是利用集成光路光刻技术将完整的ＰＮ结光电二极管的光敏面分割成几个具有相同形状和面积、位置对称的区域，每个区域可以看作１个独立的光电探测器，其背面仍为一整片。理想情况下每个区域都具有完全相同的性能参量。
影响四象限光电检测系统工作精度的因素主要包括外围大气环境、目标光斑大小和光斑能量分布以及系统本身采用的算法、器件响应差异和噪声所带来的四象限不均匀性。
2、 各单元电路设计与分电路图绘制并分析工作原理；
1、STM32F103RBT6：
STM32F103RBT6/STM32F103是 ST 公司基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器产品，内置128KB的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口、2个IIC端口、2个SPI端口、1个CAN接口、一个USB全速接口、有80个快速I/O端口等多种资源，时钟频率最高可达72MHz。
STM32F103RBT6封装：LQFP64

2、四象限位置探测器：

主要参数：芯片型号：SO66A；
芯片尺寸：6*6mm；
光谱相应范围：400-1100nm；
峰值波长：940nm;
暗电流：1nA；
3、CX1117-3.3：
CX1117-3.3是一个正向低压降稳压器， 输入电压范围：4.75-12V，固定输出3.3V。典型应用电路如下：

4、液晶LCD12864：
1）显示原理：
本实验采用的LCD12864液晶，水平方向（X方向）具有128列像素，从左往右依次是第0列......第127列，竖直方向（Y方向）具有64行像素，每8行组成1页，从上往下依次是第0页......第7页，这样以页号和列号为坐标，就可以指定8个像素。

2）参数说明：
逻辑或电源电压：2.8V-5.0V
蓝色背光：背光电压3V
串行接口：一根数据线，一根时钟线
不带字库：需要自己编辑外部字模数组
3）管脚说明：（下面的序号和液晶上面的数字是对应的）
1、背光LEDA，蓝色背光最低2.8V，标准3V，最高3.3V
2、地VSS
3、电源正VDD：最低2.8V，标准3V，最高5.5V
4、串行数据SI ：在SCL上升沿加载后至少还要保持10nS稳定；
5、串行时钟SCL
6、命令数据选择段A0
7、复位RST：启动时至少维持1uS低电平以使液晶内部复位，然后维持高电平，在经过1uS完成复位以后才能对液晶进行操作。
8、片选CS：它为低电平时才能进行操作，加载数据后至少维持40nS低电平；
3、 总电路图绘制及工作过程说明，实验结果与分析；
1、将四象限装置通过支杆和滑块固定在导轨上，如图所示；

2、将激光器通过支杆固定在二维底座上，再将二维底座固定在导轨上，如图10.3所示；调节位置使激光器和四象限相对安放，且在同一水平直线上，如图10.4所示；
3、取出MXY9001-四象限系统组件板，将LCD12864液晶固定在四象限系统组件板上；
4、按照原理图搭建电路，如图所示：

5、按照实验原理图检查电路，在确保没有接线错误的前提下，接通实训平台电源，用J-LINK下载可执行文件“四象限.hex”。
6、调节激光器高度，使光斑打在第一、二象限所在的水平线上：
1）调整激光器二维底座的螺旋测微头，使光斑打在四象限的第一象限，观察液晶屏上光斑所在的位置及显示的当前坐标；
2）调整激光器二维底座的螺旋测微头，使光斑打在四象限的第二象限，观察液晶屏上光斑所在的位置及显示的当前坐标；
7、调整四象限的高度，使光斑打在第三、四象限所在的水平线上：
1）调整激光器二维底座的螺旋测微头，使光斑打在四象限的第三象限，观察液晶屏上光斑所在的位置及显示的当前坐标；
2）调整激光器二维底座的螺旋测微头，使光斑打在四象限的第四象限，观察液晶屏上光斑所在的位置及显示的当前坐标，如图所示。
4、 安装、调试过程、故障问题分析及解决；
在操作的时候，老师要我们认真翻阅实验手册，了解此次实验的各个内容，实验器材，电路连接，注意事项以及操作步骤。接电源和接地的相关部分要确保无误才能接通电源，为了避免仪器损坏这种情况，可以连电源用红线，连地用黑线。我们初步查看了实验手册后，拿出实验所需的元件，我们迅速的把线路连起来了。然后再通电源。问题出现了，点状半导体激光器没有发出激光。浴室我们请教老师，原来我们拿的不是激光。然后老师给我们拿了正确的激光器，然后我们完成了本次实验。

电路连线实物图
5、 心得体会。
经过这次的光电课程设计,我个人得到了不少的收获,一方面加深了我对课本理论的认识,另一方面也提高了实验，操作能力。现在我总结了以下的体会和经验。 
我觉得实验是很宝贵，很难得的一次机会。实验的过程全是我们学生自己动手来完成的，这样，我们就必须要弄懂实验的原理。在这里我深深体会到理论和实践结合的作用：弄懂实验原理，而且体会到了实验的操作能力是靠自己亲自动手，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。 
在实验过程中，我们应该尽量减少操作的盲目性，提高实验效率的保证，有的人一开始就赶着做，结果却越做越忙，主要就是这个原因。我也曾经犯过这样的错误，刚开始没有认真吃透电路图，瞎着接线，结果看不到结果， 所以要稳扎稳打，一步一步的来。
  最后，通过这次的测试技术实验我不但对理论知识有了更加深的理解，对于实际的操作和也有了质的飞跃。经过这次的实验，我们整体对各个方面都得到了不少的提高。
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