時間：2023-04-03 09:47:18
導語：在檢測系統(tǒng)設計論文的撰寫旅程中，學習并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領您探索更多的創(chuàng)作可能。
運動目標檢測是將運動的目標(如車輛、人等)從視頻圖像序列中提取出來，是視頻的后續(xù)處理，如日標分類、目標跟蹤以及行為理解等機路視覺的高級應用的纂礎。本文采用的運動目標槍測算法結合了混合高斯建模和幀間差分算法，以及形態(tài)學的閉運算.為后續(xù)處理提供1個連通的、去噪的運動目標二值圖?；旌细咚菇是通過使用K(一般取3一S)個高斯概率密度函數來精確地量化圖像中每個像索的值。K個高斯分布按照優(yōu)先級進行排序，然后與像素伍進行匹配判斷，若匹配，則用該像素值對高斯模型進行均值、方籌的更新:若像素值與K個分布都不匹配，則新增加一個高斯分布，均值為當前的像素俏.方差初始化為一個較大的值:對十未匹配的高斯分布，其均值和方差保持不變。排匹配完一個像素，需修改所有的高斯分布的權重系數，對于匹配的分布模型.則增大其權重;對于不匹配的分布模型，則降低其權重。因此，K個高斯分布表征的是圖像序列中最頻繁出現的像素值的模型，即背景模型，只要選取一個合適的閡放.就可把這些高斯模型合成一幅背景圖像，進而得到運動的前景圖。混合高斯建模能夠動態(tài)地維護和更新背景，對環(huán)境具有較強的適應性，尤其是解決了背景環(huán)境受頻繁擾動，如下雨、樹葉擾動、水波紋等情況一下.難以提取的問題。幀間差分w}的原理是對視頻圖像序列中相鄰兩幀或者足多幀作差分運算.利用兩幀圖像之間的差異來提取運動目標。幀間差分算法簡單，運算速度快.對環(huán)境有較強的的適應性，但是，幀圖2顯示的是運動前景提取的效果?？梢钥闯?，圖(b)是高斯背景建模算法提取的前景圖.圖中右上角有一輛車運動速度慢，且顯示的顏色大部分是相同的黃色，且高斯背景更新地比較慢，因此，該車大面積被判定為背景，檢測的效果不佳。圖(c)是幀間差分算法提取的前景圖，圖中檢測的汽車內部存在空洞部分圖(d)是結合兩種算法得到的運動二值圖.由圖可知，本文提出的弊法規(guī)避I單獨使用高斯背景建模和幀間差分算法的缺陷，融合r兩種算法的優(yōu)勢，得到一個更準確的前景圖。圖(e)是經過閉囚運算輸出的連通、消噪的二位圖。
2.車輛識別算法
車輛識別的主要內容是通過分析交通視頻圖像，從中獲取車輛的特征，用于從運動物體'R”提取出汽車。本文車輛的識別是通過對汽車輪廓的再分析，提取出輪廓內連通區(qū)域的面積和包括汽車輪廓的最小四邊形的長寬比值作為汽車的特征量，進行汽車的識別。輪廓提取算法輸入的是一幅運動二值圖，目的是對連通的圖像進行邊界跟蹤，從而得到一個有序的、壓縮的、表征目標輪廓的邊界點集。本文的輪廓提取算法采用的是八領域的邊界跟蹤算法。圖中“P”代表當前像素點，其周圍8個像素點為點P的八鄰域，八鄰域的方向碼如圖3所示。八領域邊界跟蹤算法c5},}i先，系統(tǒng)從左到右，土到下對二值圖像進行掃描。如果點P(i.J一”為0o”且點P(i.J>為‘'t'，則記點P(i.,l)為邊界跟蹤的起始點PO，同時，設八領域的搜索方向碼dir的初值為70其次，按逆時針方向依次判斷當前點尸的八鄰域像素值是否為“I"。若當前搜索的像素r}不為.t.，則d介十主，繼續(xù)搜索，直到找到下一個邊界點，記為湯.同時記下該像素對應的坐標值和力‘向碼。母一個新邊界點的搜索，都要設置d行起始方向，dir的設置由公式1給出。不斷重復這個步驟，直到pn=p0。，邊界搜索結束，得到一個閉合的目標輪廓。dir=(dlr+7)mod6,diro為偶數(dir+6)mod氏dir為奇數(I)本文的設計中，搜索的足連通域最外層的邊界，即物體的輪廓。輪廓數據的壓縮.采用的是壓縮同一方向的點集，只用直線的兩端點來表示的方法。得到了物體的輪廓后，進而計算該輪廓內連通區(qū)域面積的大小以及包圍輪廓的最小四邊形的長寬比值，用十從眾多的運動物體中篩選出汽車。圖9所示是汽車的識別結果，輸入的二值圖像(a)中，包含了行人和自行車以及大片的噪聲，利用本文提出的汽車識別算法，有效地在這些物體中提取出了汽車，如圖(h)所示。
3.車輛跟蹤算法
目標跟蹤算法需要具備實時性以及穩(wěn)定性，用于跟蹤的目標特征ipk不僅滿要具備尺度變化、旋轉不變性，還要求數據最小，具備獨特性。目前存在的跟蹤算法如粒子濾波算法、Camshift}0}算法，[1標特征量如灰度直方l婦、角點、紋理等信息都不適宜路面車輛的跟蹤。本文提出了質心跟蹤算法。2i#輛汽車都有自己獨一無幾的行}i}1軌跡，同一時刻不Il的汽車其質心位置相差比較大，日_同一輛汽車在前后兩ipr;i的質心位置變化較小。此外，可以采用前后兩幀物體質心的距離來進行汽車的匹配和跟蹤。質心是包圍物體輪廓的最小四邊形的中心。運動物體以前后兩幀質心的歐式距離作為匹配和跟蹤的依據，通過設置一較小的距離閩值n，對該趾離進行判斷。在距離閡值范圍內的認為是同一物體。質心匹配是通過兩個雙鏈表的查詢和比較來實現的。兩個鏈表.一個是.}y前鏈表，一個是歷史鏈表，分別用于保存當前幀和前一幀所有物體輪廓對應的信息。要匹配前后兩l隨對應的物體，就要在歷史鏈表中找到與當前鏈表一一對應的物體，并用當前鏈表的數據對歷史鏈表中對應物體節(jié)點的信息進行更新。因此，歷史鏈表隨時問更新，動態(tài)地保存著運動物體的信息。匹配算法的關鍵在于維護和更新歷史鏈表。歷史鏈表的更新操作分為3種悄況.一是對于新出現的物體，則應在歷史鏈表中添加該物體對應的節(jié)點信息:二是對于消失的物體，則應該在鏈表中刪除對應的節(jié)點信息:二是對于找到匹配的物體，則應用當前鏈表中物體的信息對歷史鏈表中對應的節(jié)點信息進行更新:因此.歷史鏈表的更新午要完成保持對原有物體跟蹤的同時，動態(tài)地添加新物體和刪除消失的物體。圖4是質心跟蹤算法的效果圖。圖中顯示的是連續(xù)4幀的汽車跟蹤畫而，跟蹤到的汽車以不同的數字編碼表示。圖巾，同一輛汽車的標號始終未變.說明，路面車輛這4幀圖像中得到了準確地匹配和跟蹤。因此，本文提出的質心跟蹤算法實時、有效、且準確無誤。
4.功能模塊設計
該模塊主要實現交通監(jiān)控中常用的功能。如車流量的統(tǒng)計、車輛行駛方向的判斷、車輛行駛速度的分析:記錄車輛的違章行為，如逆向行駛、違章停車、越線等?；谲囕v的匹配和跟蹤功能的實現，結合其他圖像分析的技術，還能便捷地實現其它路面車輛分析技術中所用到的功能。圖5顯示了一個簡單的車輛監(jiān)測系統(tǒng)的界面，畫面中包含了3個信息、:跟蹤到的汽車鑲-輛汽車以其質心處的數字標號表示):汽車的行駛方向(以矩形框不同的顏色區(qū)分，黑表示向右行駛，白色表示向左行駛):不同行駛方向下的車流量(畫面的左上角和右上角以對應的顏色表示出車流量的統(tǒng)計情況)。
5.結束語
論文摘要:本文圍繞區(qū)域創(chuàng)新體系建設理論，結合云南省曲靖市區(qū)域創(chuàng)新等方面的成功實踐，進行深入分析研究，構建了曲靖市區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的總體模型，并進一步提出了構建四大集成創(chuàng)新子系統(tǒng)(區(qū)域宏微觀科技管理集成子系統(tǒng);區(qū)域農業(yè)創(chuàng)新集成子系統(tǒng);區(qū)域民營企業(yè)創(chuàng)新集成子系統(tǒng);工業(yè)創(chuàng)新集成子系統(tǒng))是建立區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的重要支撐。然后通過理論歸納，將支撐區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)建設的四大創(chuàng)新集成體系進行了邏輯化、系統(tǒng)化、模式化的提升，并提出了一系列保障各集成體系運行的對策措施，使該體系的建設具指導性和可操作性。
0引言
當代經濟出現的信息化、知識化、全球化和區(qū)域化等特征，使區(qū)域經濟發(fā)展面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇。在此新的時代背景中，區(qū)域創(chuàng)新能力正日益成為區(qū)域經濟獲取國際競爭優(yōu)勢的決定性因素和區(qū)域經濟參與競爭優(yōu)勢的重要標志，而構建區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)已經成為各區(qū)域實現新世紀快速發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。因此，深入研究和認識區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)理論，對于加速我國區(qū)域經濟發(fā)展和指導地方技術創(chuàng)新工作有著重要意義。本文擬以云南省曲靖市為考察對象，對區(qū)域創(chuàng)新體系建設理論作一探討。
1．曲靖市區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)建設中存在的問題
1.1高校數量小，科技實力不足，創(chuàng)新人才資源少曲靖市基本，全日制學校中有師范學院1所、職業(yè)技術學院1所、中專7所、高完中52所、初級中學203所、完全小學1887所、中等職業(yè)技術學校12所、特殊教育學校4所、幼兒園328所、教師進修學校9所。與其他省份相比，科教實力不足，這嚴重制約了曲靖市知識創(chuàng)新能力的進一步提高。區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)需要的創(chuàng)新人才總量不足。另外，人才結構也不盡合理，不能適應高新技術產業(yè)領域內的科技創(chuàng)新能力的進一步提高，這主要表現在信息技術、新材料技術、環(huán)保產業(yè)、新能源技術等高技術領域的人才緊缺，企業(yè)專業(yè)技術人員和復合型人才缺乏。同時，人才結構不合理也影響了專利類創(chuàng)新成果產出指標的提高，許多科研成果是科技人員為職稱評定而作，完全脫離市場需求。
1．2曲靖市區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的創(chuàng)新環(huán)境不完善區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的構建離不開創(chuàng)新環(huán)境的支持，目前曲靖市創(chuàng)新環(huán)境的建設還不完善，具體表現為:①區(qū)域創(chuàng)新的文化環(huán)境和氛圍還不濃厚，近年來，曲靖市大力發(fā)展區(qū)域創(chuàng)新體系，但曲靖區(qū)域創(chuàng)新文化氛圍還不夠濃厚，容忍失敗、鼓勵創(chuàng)新的精神尚未被普遍接受，創(chuàng)新要素各方未能在合作創(chuàng)新上達成共識。②區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的政策支持還有待進一步提高。由于政府科技管理的‘’部門分割”還存在，全市科技資源配置分散、重復和浪費，不能形成科技合力，難以開展科技攻關。科技局和其他承擔科技管理的相關部門之間缺乏有機的聯系，在創(chuàng)新活動組織、創(chuàng)新資源配置和創(chuàng)新制度建設等方面缺乏有效的宏觀調控和協同機制，難以達到綜合集成的效果。政府對科技創(chuàng)新管理的職能定位不夠明確，計劃管理痕跡較重，行政直接管理、控制、千預過多，政府與市場的良性互動關系尚未建立。
1.3企業(yè)自主創(chuàng)新能力不高，創(chuàng)新主體地位未完全確立企業(yè)作為區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)中的“執(zhí)行主體”，是科技成果轉化為現實生產力的主導力量，在區(qū)域創(chuàng)新中具有舉足輕重的地位。然而，一些大中型企業(yè)對創(chuàng)新的動力不強，一些規(guī)模較大的私企或者出于發(fā)展時期，或者由于所有者或經營者缺乏相應的素質和長遠的眼光而沒有意識到創(chuàng)新的重要性，從而失去對創(chuàng)新的動力。企業(yè)在創(chuàng)新投入方面沒有起到主導作用。這些企業(yè)多數還沒有建立起研究與開發(fā)機構，企業(yè)的科技人員素質不高，即使是已建立的研究與開發(fā)機構其整體開發(fā)能力與專業(yè)化的科研院所相比，還有較大差距，其中仍有部門不能有效進行技術開發(fā)，重要靠從國外引進技術，自主創(chuàng)新能力差，對引進技術的消化、吸收、再開發(fā)不夠。由于企業(yè)的知識基礎與技術能力有限，阻礙企業(yè)轉型和技術升級，導致一些企業(yè)深陷夕陽產業(yè)而無法自拔，失去持續(xù)發(fā)展能力。
2曲靖市區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)建設的對策建議
2.1完善創(chuàng)新環(huán)境，為區(qū)域創(chuàng)新提供有力保障一個地區(qū)的創(chuàng)新能力不僅來自于企業(yè)和研究機構內在活力的增加，更來自于良好的創(chuàng)新環(huán)境，包括科研、科研活動、科技產業(yè)化保障等基礎設施的硬環(huán)境，也包括制度、社會文化、法規(guī)政策環(huán)境等方面的軟環(huán)境，以及有利于高新技術企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的社會環(huán)境。培育和建設完善的創(chuàng)新環(huán)境，要以市場為導向，充分發(fā)揮地方政府的引導和調控作用，把地區(qū)有限的人力、物力、財力集中起來，形成一個局部優(yōu)化的產業(yè)化環(huán)境。
【關鍵詞】雙CCD；脫絨棉種；線陣CCD；光電檢測系統(tǒng)
1.引言
色選機是指利用物料的光學信息將劣物料剔除的集光、電、氣、機于一體的高科技設備，廣泛應用于農業(yè)、食品業(yè)、工業(yè)、礦業(yè)等，可以提高物料的品質，增加附加值，保障食用、使用時的安全性[1][3][4]。在棉種分選方面，傳統(tǒng)的分選技術：種子風篩選、幾何特征篩選、密度重力選種、介電式分選、顏色分選法、機器視覺分選[1][3][4][7]。雖然這些方法均有各自的優(yōu)點，但沒有同時判斷顏色、破損棉種、或者是算法高深、采集靜態(tài)圖片信息等缺點。本文在顏色分選基礎上利用雙CCD加入破損判別，能夠區(qū)分脫絨成熟棉種（黑褐色）、未熟棉種（紅棕色）、破損棉種和雜質[3][4]。
2.總體結構
基于雙CCD的脫絨棉種色選機光電檢測系統(tǒng)是色選機的關鍵部分，其作用主要是對物料（脫絨棉種）進行檢測，采集物料特征信息。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括光學系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。
圖1 總體框圖
3.功能簡介
物料進入光電檢測系統(tǒng)之前，要經供料系統(tǒng)相關處理后才能精確地在光電檢測系統(tǒng)和分選系統(tǒng)區(qū)內。供料系統(tǒng)主要包括進料斗、振動喂料器、滑槽等。在處不詳細簡紹供料系統(tǒng)具體工作過程，主要簡紹光學系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)相關功能。
（1）光學系統(tǒng)
光學系統(tǒng)主要是有光源、背景板、光電傳感器、成像系統(tǒng)等相關部分組成[4]。光學系統(tǒng)主要作用是通過光路設計使CCD能夠覆蓋每組棉種流的視場區(qū)域，使得所有目標圖像都能夠被CCD捕獲。光學系統(tǒng)的光路結構、檢測方式、光電傳感器種類等，將直接影響色選機的質量與效率[3]。
（2）信號采集系統(tǒng)
信號采集系統(tǒng)采用TCD2566BFG和TCD1209作為光電傳感器，對物料進行實時采集。CCD常用驅動方式有EPROM驅動法、IC驅動法、單片機驅動法以及可編程邏輯器件驅動法[5]。本文是基于FPGA設計的可再編程驅動電路，該方法優(yōu)點是集成度高、速度快、可靠性好。需改變驅動電路的時序、增減功能時，僅需對器件重新編程，無需更改硬件條件[5]。
（3）處理系統(tǒng)
處理系統(tǒng)是以ALTERA公司cyclone III系列EP3C16Q240C8作為驅動實現以及后期處理的主要芯片。主要設計思想是：EP3C16Q240C8生成CCD工作所需的驅動時序，由于FPGA輸出電壓與CCD驅動電壓之間差異，故驅動時序需反相升壓器件處理，物料棉種采集信號經放大濾波電路輸出，輸出信號經A/D轉換以后輸入FPGA進行后續(xù)處理[2][6]。
4.采集處理系統(tǒng)設計
（1）硬件設計
硬件電路設計如下圖2所示。利用光學采集系統(tǒng)原理，將TCD2566BFG作為彩色信號采集板A，TCD1209作為黑白信號采集板B。因兩個CCD工作電壓不同，采用LM2731X典型電路設計10V和12V，利用計算方法可以實現。至于處理板電源是利用LD1085D2M50、LD1085D2M33、AMS1117-2.5、AMS1117-1.2等電源轉換芯片，實現電路所需的5V、3.3V、2.5V、1.2V等工作電壓。在解決完電路工作所需電源之后，對于CCD驅動電路、采集信號放大濾波電路、A/D轉換電路以及EP3C16Q240C8芯片工作電路均按照技術手冊等信息進行設計，在此不再贅述。
圖2 硬件電路框圖
（2）軟件設計
該部分是在硬件設計基礎上，能夠使CCD正常工作的關鍵部分。設計思想主要是利用TCD2566BFG和TCD1209的工作原理以及工作模式來設計工作時序。TCD2566BFG選擇彩色模式下TDI=ON模式工作，工作需要時鐘脈沖、、、、，復位脈沖RS、緩沖控制脈沖CP，轉移脈沖SH、存儲清晰脈沖SCG、開關脈沖SW1、SW2，另需48個虛設單元輸出（dummy outputs）信號。TCD1209工作需時鐘脈沖、、，復位脈沖RS、緩沖控制脈沖CP，轉移脈沖SH，另需40虛設單元輸出信號。因此，軟件編寫時需要注意虛設單元輸出信號。
軟件編碼：TCD1209和TCD2566BFG關鍵代碼
parameter TAGH=16，TAGL=2117，TAGHF=21，TAGLF=2112；
parameter SCGBA=0，SCGEA=30，SHBA=40，SHEA=70，TGFBA=80，TGFEA=5468，SCGBB=5478；
通過Verilog VHDL編程生成模塊如圖3所示，其中clk_sys系統(tǒng)時鐘64MHZ，通過PLL（鎖相環(huán)）和分頻電路生產工作所需時鐘信號，其中ad_in[11：0]為TCD1209經濾波放大電路及A/D轉換后的采集輸入信號，clk_out_0[5：0]為TCD1209工作所需的驅動頻率以及A/D轉換芯片時鐘頻率，ad_out[11：0]是經過處理后的棉種采集破損信息；ad_r_in[11：0]、ad_b_in[11：0]、ad_g_in[11：0]為TCD2566BFG經濾波放大電路以及A/D轉換后的采集RBG信號，clk_out[11：0]和sw[1：0]為TCD2566BFG工作驅動頻率、A/D轉換芯片時鐘頻率及模式選擇信號，ad_r_out[11：0]、ad_b_out[11：0]、ad_g_out[11：0]是經處理后棉種采集顏色信息。
圖3 軟件生成模塊
（3）設計與仿真檢測
通過Quartus II9.0中SignalTap II Logic Analyzer進行在線仿真，得到圖4所示圖形。
圖4 FPGA在線仿真圖
通過圖4（b）、（c）所知，TCD2566BFG和TCD1209的時序與實際工作時序圖是有所差別的，主要是器件驅動電壓問題，導致FPGA輸出的時序要經反相升壓器才能給CCD提供驅動時鐘，為此，FPGA生成時序也有相應處理。通過圖4（d）可知CCD在不同物料時輸出的差別，這也是我們后期處理的依據。
5.結論
本論文通過雙CCD對脫絨棉種色選機光電檢測系統(tǒng)進行設計，方案采用TCD2566BFG和TCD1209作為檢測器件，EP3C16Q240C8以及反相器TC74ACT240和SN74AHCT14N設計CCD驅動電路，OPA357設計濾波放大電路、AD9224設計A/D轉換電路，同時利用光學系統(tǒng)知識構建光學系統(tǒng)，使兩CCD能夠正常地工作，滿足脫絨棉種色選機所需要求，光電檢測系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作。
參考文獻
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【關鍵詞】顏色識別；單片機；液晶顯示器；步進電機
0 引言
RGB原理即世界上的任何物體的顏色都是自然界的三基色紅（R）、綠（G）、藍（B）按照不同比例構成的。這個原理幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，是目前運用比較廣泛的顏色原理。而在自然界中，很多顏色看上去是很相近的，有的是人眼所不能識別的，這樣就很容易造成誤差與失誤，而人的眼睛與顏色長時間打交道，就會受到傷害，這時候自然就需要一套裝置設備來代替人工勞動，這樣就能一定程度上減少誤差與失誤的避免。顏色識別自動分揀這一技術在現代社會的各行各業(yè)都有一定的應用：如在工廠中利用此技術進行貨物的劃分，藥品廠進行不同顏色的藥品的分類，生物上進行細胞的檢測，生活上可以利用它檢測一些瓜果的成熟度等。足以說明此技術有很好的市場前景，所以我們對顏色識別自動分揀系統(tǒng)的研究是很有必要的，從而達到更深層次和更廣泛的應用。
1 系統(tǒng)設計
1.1 系統(tǒng)總體結構
整個顏色識別系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式。單片機作為系統(tǒng)控制的核心，用于連接顏色傳感器實現顏色的識別；驅動步進電機進行傳送；控制紅外傳感器的接收；控制液晶顯示器的正常顯示；連接串口通信，實現半雙工或全雙工。紅外傳感器部分用于檢測系統(tǒng)是否有小球存在。顏色傳感器用于實時采集系統(tǒng)小球的顏色，反饋給單片機。顯示輸出部分可以顯示系統(tǒng)的實時小球顏色和記錄采樣的顏色RGB。語音部分用于小球顏色的播報。步進電機部分工作由單片機控制，主要是用來驅動圓盤的轉動，從何控制小球的走向，使其到達指定的位置。
1.2 系統(tǒng)的硬件設計
系統(tǒng)設計采用了STC89C52RC單片機，該芯片具有低功耗、抗靜電和抗干擾能力強、可靠性高的優(yōu)點，具有8K Flash存儲器和512字節(jié)的RAM，能能滿足程序存儲的要求，簡化系統(tǒng)硬件電路的設計。
（1）檢測系統(tǒng)設計
檢測系統(tǒng)利用紅外傳感器，工作原理是利用紅外傳感器的物理性質來進行測量，紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、吸收等性質。在本實驗中用于檢測是否有小球的存在。
（2）語音播報設計
語音播報由語音模塊WTV020-S組成，在系統(tǒng)采樣小球顏色時做出相應的語音播報動作，液晶顯示器顯示小球的顏色、系統(tǒng)的工作狀態(tài)等信息，以及做出下步動作指示，可以根據需要進行設定。
（3）驅動部分設計
驅動模塊利用的是步進電機以及霍爾開關一起組成，在本系統(tǒng)小球做出顏色識別后，步進電機在通電的情況下，在系統(tǒng)設定中就會去驅動圓盤的轉動，從何控制小球的走向，根據系統(tǒng)做出的小球顏色識別使其到達指定的位置。步進電機運行后，就會在霍爾開關電路的作用下恢復到初始狀態(tài)，即回到原點。
（4）顏色識別電路設計
顏色識別部分主要利用了顏色傳感器TCS3200，它內部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流/頻率轉換器，可輸出頻率隨光強線性變化且占空比為50%的方波。通過引腳，S0、S1來選擇輸出比例因子或電源關斷式；S2、S3來選擇濾波器的類型。在工作時可通過改變TCS3200感光部位濾光器的顏色，依次讓三種原色的色光通過，根據其輸出頻率隨光強線性變化的特性，得到色光中的紅綠藍三原色信息。例如，當選擇紅色濾光器時，紅色光能透射到感光部位，而藍色光則不能透過，此時即可得到紅色光在此種顏色中的含量信息。
1.3 系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)依據TCS3200反饋的實時小球顏色和系統(tǒng)采樣過的顏色比對決定電機怎么運轉。目標位置通過按鍵掃描的接口函數進行輸入。
為了使程序簡潔明了，便于理解和查閱，整個識別系統(tǒng)的軟件編程采用模塊化編程的方法。函數主要有TCS3200初始化、寫入命令、讀取數據，LCD1602初始化、寫命令數據、顯示，按鍵掃描輸入，語音模塊播報語音，步進電機動作等功能模塊，通過主函數調用子函數模塊，這樣降低了程序的復雜度，使程序設計、調試和維護更加方便。
2 系統(tǒng)的測試與分析
為了進一步了解系統(tǒng)的工作性能，我們進行了實驗，將該系統(tǒng)分別識別了紅色、藍色、白色以及黑色小球。從多次實驗的結果可以看出，識別系統(tǒng)的誤差精確識別，可以滿足顏色識別系統(tǒng)的要求。
3 結語
本設計是以AT89C52單片機為基礎，利用TCS3200顏色傳感器模塊，LCD1602液晶顯示器模塊實現色彩識別系統(tǒng)的，并進行了色彩識別的測試實驗。其中，色彩識別的算法實現原理和各模塊的實現是本論文研究的重點。色彩識別的核心及難點是RGB三種顏色測量的算法設計，算法的優(yōu)劣程度很大程度上決定了色彩識別系統(tǒng)的優(yōu)劣。通過本設計的測試，能很好的達到顏色分揀的目的。
【參考文獻】
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[關鍵詞]居家安全；zigbee；智能檢測
中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）41-0256-01
在日常生活中，有時我們會擔心電器電源是否關閉、煤氣或天然氣閥是否關好、門窗是否鎖好等，而目前相關的檢測系統(tǒng)僅用于現代化程度較高的公寓或工農業(yè)生產，成本高昂，不能滿足大眾居家生活和規(guī)模較小的個體經濟生產的需要，鑒于此，我們希望能夠設計一種簡單、經濟、實用、靈活，能夠走進大眾生活的解決方案。
1 技術實現
1.1 系統(tǒng)架構
居家安全智能檢測系統(tǒng)是一款基于ZigBee組網的集多功能一體的檢測裝置?，F目前主要由一個中央處理器、GSM短信通知模塊、還有四個檢測模塊（溫度采集模塊、家用電器開關檢測模塊、可燃氣體檢測模塊、家庭意外著火檢測模塊）組成。
中央處理器采用mini2440開發(fā)板控制，這是一款低價實用的ARM9開發(fā)板。我們通過系統(tǒng)移植將Linux系統(tǒng)移植到開發(fā)板，使用QT、C++編程實現簡單的界面控制軟件，再移植到開發(fā)板上實現主控顯示的功能。
1.2 方案選擇
系統(tǒng)功能的實現主要涉及三方面的內容：傳感器，無線網絡，人機交互。
傳感器
系統(tǒng)能夠識別的內容有：是否有電流，是否有火災的可能，是否有可燃氣體的泄露。市面上已經有相應的傳感器，可以直接輸出數字信號，主控芯片可以依據廠家提供的技術手冊進行辨別。
信號的傳送
信號的傳送主要包含兩個部分：室內局域交互，室外遠程交互。
室內局域交互
主要包括傳感器數據的采集上傳，動作命令的下達。就功能實現而言，應在室內搭建局域網絡。方案設計涉及有線、無線的選擇和多種的無線技術的取舍。
（1）無線與有線
無線局域網的網絡速度與以太網相當，一個 AP 最多可支持多達上百個用戶的接入，最大傳輸范圍可達到幾十公里，具有以下的鮮明特點：
具有高移動性，通信范圍不受環(huán)境條件的限制，拓寬了網絡的傳輸范圍。在有線局域網中，兩個站點的距離在使用銅纜（粗纜）時被限制在 500m ，即使采用單模光纖也只能達到 3000 m ，而無線局域網中兩個站點間的距離可達到50km 。
無線技術的取舍
目前在智能家居行業(yè)中，較為主流的無線技術一共有三種：WiFi、藍牙、和ZigBee。
（1）WiFi技術
基于WiFi技術的智能家居產品最為常見，其優(yōu)勢在于傳輸速率快，且產品成本低，生活中也最為普及，對用戶來說，基于WiFi的智能家居組合最為省事，購買設備直接組網即可。
凡事都存在兩面性，WiFi雖然傳輸快、普及廣，但也存在著自身的技術劣勢：其最大的問題要屬安全性非常低，無線穩(wěn)定性弱；功耗大也是其弱點之一，將導致其在家居領域的應用受限，例如智能門鎖、紅外轉發(fā)控制器、各種傳感器等不適宜使用；此外，WiFi的組網能力也相對較低，目前WiFi網絡的實際規(guī)模一般不超過16個設備，而實際家居環(huán)境中，僅開關、照明、家電的數量就已遠遠多于16個，顯然發(fā)展空間受到了一定的限制。
（2）Zigbee技術
ZigBee技術的安全性很高，至今全球尚未出現一起破解先例。其安全性源于其系統(tǒng)性的設計：采用AES加密（高級加密系統(tǒng)），嚴密程度相當于銀行卡加密技術的12倍；其次，Zigbee采用蜂巢結構組網，每個設備均能通過多個方向與網關通信，網絡穩(wěn)定性高；另外，其網絡容量理論節(jié)點為65300個，足夠滿足家庭網絡覆蓋需求，即便是智能小區(qū)、智能樓宇等仍能全面覆蓋；最后，Zigbee具備雙向通訊的能力，不僅能發(fā)送命令到設備，同時設備也會把執(zhí)行狀態(tài)反饋回來，這對終端使用體驗至關重要，尤其是安防設備，倘若你點擊了關門，卻不知道門是否真的已經鎖上，將會帶來多大的安全隱患；此外，Zigbee采用了極低功耗設計，可以全電池供電，理論上一節(jié)電池能使用10年以上，節(jié)能環(huán)保。
（3）藍牙技術
大家對藍牙技術的熟知，恐怕要屬手機上的藍牙功能了。其功耗以及成本都介于WiFi與Zigbee兩者之間，但傳輸距離最短，屬于一種點對點、短距離的通訊方式，因在移動設備或較短距離間傳輸，故藍牙產品會提供一些較為私人化的使用體驗，例如藍牙耳機、藍牙音箱、智能秤等，由于其傳輸距離較短，所以并不適合組建龐大的家庭網絡。
綜合考慮后，采用Zigbee技術進行局域網絡的搭建。
GSM應用
GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統(tǒng)、是一部手機開發(fā)人員使用ARM或者單片機通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令來控制GSM模塊實現各種無線通信功能?；贕SM模塊產品的開發(fā)往往都是基于ARM平臺，使用嵌入式系統(tǒng)進行開發(fā)。有些GSM模塊具有“開放內置平臺”功能，可以讓客戶將自己的程序嵌入到模塊內的軟件平臺中。直接使用由正點原子開發(fā)的GSM模塊。該模塊以ATK-SIM900A為核心，可以直接通過串口與主控芯片進行交互[4]。GSM模塊通過AT指令進行通訊，本系統(tǒng)主要用到AT發(fā)短信指令“AT+CMGF=1”、“AT+CMGS=“手機號””。
2 項目總結
2.1 社會價值評估
（1）該系統(tǒng)的開發(fā)代表了當下嵌入式設備的新趨勢，我們不再從零開始，而是借鑒和整合現有的成果。隨著社會生活的不斷發(fā)展，人們對于智能化設備的要求也越來越高，開發(fā)的難度和復雜度也越來越大。模塊式產品的出現，使嵌入式設開發(fā)人員不必糾結于每個底層的實現，而能夠將精力集中于方案的設計和芯片的代碼的編寫，或直接整合現有的版塊，開發(fā)出更復雜的產品。
（2）居家安全智能檢測系統(tǒng)是物聯網技術應用于大眾生活的嘗試。我們將不同的內容整合到一個系統(tǒng)中，實現集中管理，如電流，煤氣，煙霧，進一步的電視，電腦，微波爐，門禁等。若能夠獲得相應的研發(fā)支持，可以在生活中產生良好的效益。
2.2 功能拓展
（1）加入網絡的版塊，實現當下移動應用的需要；
（2）可以加入門禁，警報等實現閉環(huán)居家控制功能；
（3）Zigbee節(jié)點的放置應參照應用系統(tǒng)環(huán)境，合理地安排布局。
3 結論
本論文提出的基于Zigbee的家居安全智能檢測系統(tǒng)，通過物物相聯實現即時將家里的情況快速自行處理，當發(fā)生意外時通過短信通知房主，實現了智能安全的監(jiān)測和防護，為現代家居提供進一步的理論支撐與技術指導。
參考文獻
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關鍵詞：包裝機 PLC HMI
1.1 概述
包裝機外形如圖2-1所示，藥粒散料由存料桶，落到三級傳輸帶，再經過十二通道后裝入藥瓶。本包裝機的在包裝過程中的要求為：
1、 包裝速度較高，每分鐘裝瓶約50～60瓶；
2、 藥粒計數精確，確保裝入藥瓶的藥粒個數為設定的規(guī)格個數；
3、 已裝藥瓶的個數實施計數 ；
4、 對于不同藥粒實施包裝作業(yè)時，能夠現場較簡便地更改參數。
設計采取軟硬件結合，對電氣原理主電路圖設計以及PLC程序的同步設計，
2.1 包裝機整體設計
本包裝機包裝過程中，藥粒由存料桶流入電振機一帶，一帶以較低振動頻率振動，藥粒被抖動流入二帶，二帶電振機振動頻率加快，拉大藥粒間距，藥粒繼續(xù)流入三帶，三帶頻率大于二帶，拉大藥粒間距，藥粒流入十二通道，通過十二通道后，最后進入藥瓶，原理圖如圖2-1所示
圖2-1 包裝機整體設計原理
十二通道每通道入口裝有阻擋藥粒的插板以及對射型光電傳感器（插板在上，光電傳感器緊挨其下面），此處設計在于，藥粒必須是在拉開距離的下落過程中才能實現檢測計數，如果光電傳感器在上，當插板閉合時，藥粒堆積，當再打開時，系統(tǒng)即無法實現檢測計數。
插板的作用是開閉十二通道，光電傳感器檢測通過的藥粒，檢測信號送入PLC處理；藥粒直接流入藥瓶，當達到預先設定的藥粒個數，十二通告關閉，藥瓶擋板打開，擋板上裝有光電檢測系統(tǒng)，可對已裝藥瓶個數進行計數。從而消除了藥瓶計數的瑪法。
對藥瓶計數有兩種工作模式，一種是直接流水式計數，可清零重新開始計數；另一種是設定裝瓶個數，達到個數，停止運行。系統(tǒng)工作示意圖如圖2-2所示。
2.2 硬件設計
2.2.1主要器件清單
根據2.1設計要求，所需器件列表如下表（2-1）所示
2.2.2擋板、插板動作分析
擋板、插板動作流程圖如圖2-2所示，信號的獲取來自十二個光電傳感器，信號被送入PLC進行處理，當達到設定的個數時，PLC指令，關閉十二通道插板，間隔后打開擋板（此間隔短時間將在3、2.5作出計算），藥瓶擋板打開，打開間隔時間后關閉，系統(tǒng)如此循環(huán)運行
2.2.3 HMI、PLC網絡控制結構
HMI、PLC網絡構成了本包裝機控制的主機，根據分裝控制工藝及對計數控制器的性能要求，控制系統(tǒng)結構圖如圖2-3所示，系統(tǒng)由輸入、輸出通道及主機三部分組成。
輸入通道由光電檢測系統(tǒng)，觸摸屏HMI組成；主機PLC進行計數、分裝控制；輸出通道由固態(tài)繼電器、接觸器組成，固態(tài)繼電器控制電磁鐵使擋板、插板，翻板動作。
采用PLC控制使系統(tǒng)抗干擾能力提高了，并且采用的固態(tài)繼電器與電磁式繼電器相比，具有開關時間短、無火花、無噪音、電磁鐵動作準等優(yōu)點。西門子S7-200 CPU226PLC加裝兩個拓展模塊EM232，增加四個模擬量輸出，I/O口輸入輸出24V供電已經拓展模塊24V共供電由PLC24V傳感器電源提供，PLC220V供電由三相四線中的中性線和一跟相線提供。PLC輸入口為光電開關的接受端，執(zhí)行機構為固態(tài)繼電器和接觸器?！?/p>
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（鄭州輕工業(yè)學院，電氣信息工程學院，河南鄭州450002）
摘要：針對核酸適體電流型傳感器信號弱、噪聲高、測量難的特點，設計一種可準確檢測三磷酸腺苷（ATP）濃度的核酸適體傳感器檢測電路。該電路主要包括恒電位電路、I/V 轉換電路、多級放大電路、帶通濾波和鎖相放大電路。利用循環(huán)伏安法研究并分析了核酸適體傳感器的輸出電壓與被測物ATP濃度之間的關系。測試結果表明：電流型核酸適體傳感器檢測系統(tǒng)具有很高的信噪比、較好的靈敏度和線性度，線性度為0.994 0，能夠滿足現場快速準確測試的需求。
關鍵詞 ：核酸適體傳感器；ATP濃度；微電流檢測；鎖定放大；電路測試
中圖分類號：TN98?34；TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）14?0120?04
收稿日期：2015?01?25
基金項目：國家自然科學基金項目（61002007）；河南省科技創(chuàng)新人才計劃項目（124100510001）
0 引言
ATP是體內組織細胞一切生命活動所需能量的直接來源，可促使機體各種細胞的修復和再生，增強細胞代謝活性[1]。細胞內ATP濃度與活細胞數量密切相關：細胞代謝受損時，ATP合成下降；細胞死亡時，在酶的作用下，ATP迅速水解消失；因此迅速而準確地測定細胞內ATP濃度在研究細胞乃至機體的生理活性和代謝過程以及臨床診斷方面都有非常重要的意義。
現有ATP檢測法包括定磷法、熒光素酶法、質譜法等，但這些方法所需要的儀器價格昂貴且只能在實驗室內完成，無法滿足現場檢測要求。因此發(fā)展簡便迅速的ATP檢測系統(tǒng)意義重大。本文通過對低噪聲放大技術、鎖相放大技術的研究，設計了基于核酸適體傳感器的ATP濃度檢測電路，實現了檢測系統(tǒng)的精確性、便攜式和智能化。測試結果表明該系統(tǒng)能快速準確檢測出ATP濃度，解決了現場檢測的諸多不便。
1 檢測原理
用于檢測ATP濃度的核酸適體傳感器是利用微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）加工技術、薄膜技術并結合電化學沉積技術制備的基于共面薄膜金電極的高靈敏度傳感器，本傳感器采用三電極體系如圖1 所示，即工作電極（Working Electrode，W）、對電極（Counter Electrode，
核酸適體傳感器工作電極表面的適體采用巰基固化的單鏈DNA（ssDNA）或雙鏈DNA（dsDNA）進行修飾。由于核酸適體與ATP有高親和力和選擇性，當引入ATP后，核酸適體與ATP相結合，工作電極表面產生負電荷。當在對電極上施加激勵電壓，工作電極與對電極之間發(fā)生氧化還原反應形成電流，該電流大小與ATP濃度有一定的關系，通過對工作電極電流信息進行檢測分析，可知對應的ATP濃度。
2 檢測電路設計
檢測系統(tǒng)主要由激勵信號（三角波）、恒電位電路、信號調理（I/V 轉換、多級放大、帶通濾波）和鎖相放大組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。激勵信號電路產生的三角波電壓通過恒電位電路循環(huán)加在核酸適體傳感器上，I/V轉換電路將工作電極產生的電流轉換成電壓，再經過多級放大和帶通濾波電路進行信號調理，通過鎖相放大電路去除噪聲，得到ATP濃度與輸出電壓關系曲線圖。
2.1 激勵信號產生模塊及恒電位電路
激勵信號是由單片機配合RC低通電路所產生的三角波，并將信號加到恒電位電路輸入端，如圖3所示。
運放OP1 與OP2 組成恒電位電路，恒電位電路的主要作用是將一個穩(wěn)定的工作電壓施加到傳感器上，解決電化學反應過程中工作電位偏移的問題[2]，其工作原理如下：
由此可知：參比電極的電位與電化學反應過程中產生的電流無關，只與輸入的激勵電壓與電阻有關，從而實現了恒電位功能。
2.2 信號調理電路
信號調理電路由I/V 轉換電路、多級放大電路、帶通濾波電路組成。本電路將核酸適體傳感器得到的電流信號轉換為電壓信號，經放大電路放大后，通過帶通濾波器保留所需頻帶信號。
2.2.1 I/V 轉換和多級放大電路
傳統(tǒng)的I/V 轉換電路由運算放大器和反饋電阻并聯組成。受運算放大器和反饋電阻的輸入阻抗限制，過大的反饋電阻會使阻值的精度降低、穩(wěn)定性變差、噪聲增大。圖4所示為改進后的T型I/V 轉換電路。
核酸適體傳感器在三角波電壓激勵下工作電極產生電流，大小約為4×10-8A，經I/V 轉換電路轉換成mV級以上電壓。該電路的反饋電阻：
式中:R 表示電路總反饋電阻；R′表示上半部分電阻；R″表示下半部分電阻。接到輸出端分壓電阻上，通過并聯負反饋增大反饋電阻，構成并聯負反饋的各電阻的阻值都不需要太大，就可以得到足夠大的總反饋電阻，從而降低電阻噪聲。
多級放大電路中第一級放大電路對總噪聲的影響最大，系統(tǒng)的總噪聲系數由第一個放大電路的噪聲系數決定[3]。第一級放大電路所選用的元器件應為低噪聲、高精度的器件。放大電路圖如圖5所示，該級放大電路采用反向輸入方式，輸入電阻R20為10 kΩ，反饋電阻R24為100 kΩ，放大倍數n = - R24 R20 = -10 。其中電容C10的作用是進行相位補償，避免運放產生自激振蕩。
2.2.2 帶通濾波電路
本設計采用通用芯片UAF42 設計中心頻率為10 kHz的帶通濾波器進行信號處理，濾除被測信號頻率以外的其他頻率信號，提高檢測系統(tǒng)的信噪比。UAF42芯片具有自帶的filter 仿真設計軟件和不同品質因數、不同類型的濾波器連接圖[4]。UAF42 設計帶通濾波器時只需外接三個電阻，電路簡單且容易實現。
基于上述優(yōu)點本設計采用UAF42 通用芯片設計了中心頻率為10 kHz的帶通濾波器，設計參數圖、設計電路圖分別如圖6、圖7所示。
2.3 鎖相放大電路
鎖相放大過程是利用調制器將待測微弱直流或緩變信號變換成高頻交流信號，對其放大后再解調恢復出原始信號。該過程濾除了原信號中的低頻噪聲（1 f 噪聲），同時避免了直流放大器的直流漂移偏差。鎖相放大器的基本結構如圖8所示，包括信號通道、參考通道、相敏檢測器（PSD）和低通濾波器（LPF）等[5]。
本電路的輸入信號為10 kHz正弦波與前端低頻信號調制后的信號，參考信號為10 kHz的正弦信號。在信號通道內對調制信號進行交流放大，再由帶通濾波器濾除其他頻率信號干擾，同時對信號進行放大處理以滿足相敏檢測的工作電壓，相敏解調后的信號再通過低通濾波器恢復出待測低頻信號，從而實現頻帶的搬移和消除低頻噪聲。采用相敏解調芯片AD630搭建的相敏檢測電路如圖9所示。
式中：右邊的第1項為調制信號與參考信號的差頻項；第2項為調制信號與參考信號的和頻項；第3項為噪聲信號與參考信號的和頻項；第4項為噪聲信號與參考信號的差頻項。經過低通濾波器后輸出為第1 項0.5VsVr cos(ω0 t + θ)和第4項中|ωn | - ω0 < BL（LPF的等效噪聲帶寬）的噪聲，只要LPF的等效噪聲帶寬足夠窄，就可以得到滿意的信噪比[6]。
3 實驗結果
為了研究核酸適體傳感器檢測ATP濃度與輸出電壓的關系，對標定不同濃度的ATP溶液分別進行檢測，得出對應的輸出電壓值如表1所示。
由表1 可知，隨著ATP 濃度的不斷增大，輸出電壓值也隨著增大。為了進一步研究ATP濃度輸出電壓值進行作圖，如圖10所示。可以看出，核酸適體與ATP結合后，在ATP濃度為5~100 nmoL/L時，輸出電壓與ATP濃度表現出良好的線性關系，相關系數R2 = 0.994 0 。
4 結語
本文設計的核酸適體傳感器檢測系統(tǒng)具有成本低、精度高、便攜式的特點，電路具有較強的擴展能力，通過調整濾波器參數，可實現更寬頻帶信號的測量。同時，多次進行的測試證明了該核酸適體傳感器檢測電路性能穩(wěn)定、抗噪能力強，可實現1×109 A電流檢測放大，完全能夠滿足ATP濃度檢測范圍的要求。
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作者簡介：姜利英（1981—），女，河南鄭州人，副教授，博士。主要研究方向生物傳感器及其檢測系統(tǒng)。
岳保磊（1987—），男，河南駐馬店人，碩士研究生。主要研究方向傳感器及其檢測系統(tǒng)。
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【關鍵詞】水下航行器；舵機；分布式控制；角度檢測
一、引言
水下航行器作為一種軍民兩用的水下運載器，近年來取得了長足的發(fā)展，具有廣闊的應用前景和重大的經濟價值。舵機是水下航行器中重要的執(zhí)行機構，它根據控制器的輸出指令來操縱航行器的舵面，從而改變航行器的航行姿態(tài)或航行軌跡，它的性能好壞直接決定著水下航行器的運動控制性能。舵機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，主要包括控制電路、小型直流電動機、減速齒輪組。減速齒輪組由電動機驅動，其輸出端帶動一個實現舵機角度檢測的傳感器裝置。通常的檢測方法是使用光電編碼器和電位器，而對于舵機這樣一個頻繁正反轉、長時間工作的執(zhí)行機構，光電編碼器存在抗沖擊振動性差，電位器易受干擾，精度低等問題。
旋轉變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測裝置，適用于所有使用旋轉編碼器的場合，特別是高溫、嚴寒、潮濕、高速、高震動等旋轉編碼器無法正常工作的場合。由于旋轉變壓器的以上特點，可完全替代光電編碼器等傳感器，被廣泛應用在各種領域的角度、位置檢測系統(tǒng)中。
本文采用旋轉變壓器實現舵角度檢測。該舵機角度檢測系統(tǒng)以dsPIC30F6014A作為控制器核心，通過CAN總線與上級控制器進行通信，接收上級控制器的舵機角度指令，并將舵機當前實際角度和故障等信息返回給上級控制器，實現分布式控制。試驗數據表明舵機角度檢測性能完全滿足控制系統(tǒng)指標要求。
二、旋轉變壓器的原理
旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子角度變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數關系，在一定轉角范圍內與轉角成線性關系。如圖1所示，旋轉變壓器的初級勵磁繞組Np1，Np2和二相正交的次級感應繞組Ns1和Ns3，Ns2和Ns4同在定子側，轉子側是與初級繞組和次級繞組磁通耦合的磁阻轉子。
當旋轉變壓器轉子隨電機同步旋轉，Np1，Np2外加交流勵磁電壓ENp2，Np1后，次級兩輸出繞組中便產生感應電勢，其大小為勵磁與轉子旋轉角的正、余弦值的乘積，其輸入輸出關系為：
式中：——勵磁最大幅值；——勵磁角頻率；——旋轉變壓器變比；——轉子旋轉角度。
由旋轉變壓器的工作原理可知，通過給旋轉變壓器的原邊加上正弦激勵信號，可在其副邊得到同相位的兩路幅值為空間正交的正弦信號。通過監(jiān)測它的幅值變化，即可測出旋轉變壓器的轉子的空間角度的變化。
本文選用日本多摩川公司研究出的旋轉變壓器TS2142N1E63，該旋轉變壓器采用無刷設計，具有高可靠性、長壽命、高速旋轉、絕對位置檢測，能用在惡劣的環(huán)境中工作等特點。
三、舵機角度檢測系統(tǒng)設計
旋轉變壓器是一種模擬型機電元件，輸出的是模擬信號，不能滿足數字化的要求，就需要將旋轉變壓器輸出的交流信號直接變換成數字信號的器件，即旋轉變壓器/數字轉換器（RDC）器件。Smartcoder-AU6802N1是一款高速、數字跟蹤、全角度檢測芯片，將它與旋轉變壓器相結合，可以將與機械轉動角相應的電信息轉換為數字信號并傳輸出來，便于計算機對電機旋轉角度進行處理。AU6802N1芯片將旋轉變壓器的激勵電路和數字轉換電路集成在同一個芯片上，保證了旋轉變壓器激勵輸入的頻率和相位與數字轉換電路輸入信號的頻率和相位盡可能地保持一致。
提供給旋轉變壓器的勵磁信號由芯片內部產生并通過RSO口輸出，為了給旋轉變壓器的勵磁繞組提供滿足要求的高品質正弦波勵磁信號，需要加入相應的信號處理電路，如圖2所示，同時該勵磁電壓信號又反饋回R1E-R2E端口，用于實現內部相位同步檢測和斷相檢測。
由旋轉變壓器輸出的轉速正弦信號和余弦信號分別通過S2-S4，S1-S3口輸入，再經10位乘法器與反饋轉速的數字跟蹤量相乘，產生的信號再通過比較器和相位補償及同步校正處理后，得到所需轉速的精確數字量，為使所接收到的旋轉變壓器正/余弦信號能夠滿足芯片對輸入信號幅值與相位的要求，相應的信號處理電路如圖3所示：
舵機角度檢測系統(tǒng)中選用Microchip公司的dsPIC30F6014A單片機作為核心處理器，用AU6802N1將旋轉變壓器輸出的模擬位置信號（sin，cos）轉換為12位數字位置信號，然后由單片機將數字位置信號讀入并進行處理。
本系統(tǒng)通過CAN總線與上級控制器通信，CAN通信部分電路原理圖如圖4所示，CAN總線的接口部分采用了安全和抗干擾措施。采用光電隔離芯片6N137將CAN控制器和收發(fā)器隔離，以便有效地增加通信距離和抗干擾能力。
四、軟件設計
軟件采用模塊化設計，其中舵機角度檢測和CAN通信數據接收通過中斷服務程序實現。為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，在軟件設計時采取了一些措施：在每個模塊之后和程序存儲器空白區(qū)加了軟件陷阱，并且在一些重要跳轉指令之間增加了軟件冗余指令；對于舵機角度檢測信號采用中值、均值濾波技術。軟件主程序流程如圖5所示。
五、試驗結果及分析
本文所述舵機控制系統(tǒng)已應用在實際的水下航行器產品上，通過水池、湖上試驗，舵機控制系統(tǒng)的性能完全能夠滿足運動控制指標要求，能夠很好地實現水下航行器的上浮、下潛、左右轉向等機動能力。通過記錄舵角的設定值和實際測量值來分析舵機控制的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。如圖6、7、8分別表示在不同設定值下的角度跟蹤控制性能，其中藍線代表設定值，紅線代表實際測量值，
從圖6、7、8可以看出在3種不同舵機角度設定值曲線下，通過角度檢測系統(tǒng)測得的角度值均能夠很好地跟蹤設定值，具有動態(tài)響應速度快、靜態(tài)誤差小的優(yōu)點。滿足控制系統(tǒng)對舵機角度檢測的性能要求。
六、結論
旋轉變壓器/數字轉換器（RDC）AU6802N1與單片機構成了高精度舵機角度檢測系統(tǒng)，其接口電路簡潔，通過對轉子位置進行合理的數字處理，能夠實現轉子位置的精確測量。試驗證明，設計的接口電路和數字處理方法簡單，精度高，可靠性好，抗干擾能力強，完全能夠滿足舵機控制系統(tǒng)的要求，具有較高的應用價值。
參考文獻
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[3]張福斌，徐德民等.水下航行器電動舵機控制電路設計[J].微電機，2004，37（4）：30-31.
[4]董荔寧.基于ARM的自主水下航行器舵機控制系統(tǒng)的設計[D].西北工業(yè)大學碩士學位論文，2007.
【Abstract】In this paper， with the aid of the ultrasonic module ， the temperature sensor module and MCU microprocessor controller， it designed a set of water level and temperature detection system for the water tower ， and gives the design process in detail.The scheme has the advantages of high accuracy， low cost， simple structure， high reliability， convenient maintenance and strong expansibility. It has certain practical significance and market application value in practical production and life.
【P鍵詞】超聲波；單片機控制；水塔監(jiān)測
【Keywords】ultrasound；SCM control；water tower monitoring
【中圖分類號】TN216 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0129-02
1 引言
在日常生活和工農業(yè)生產過程中，經常需要對水塔水位和水溫進行監(jiān)控。傳統(tǒng)的水塔水位大部分采用浮球水位控制器，一般分為管式浮球與纜浮球。管式浮球適合清水及粘度不大的液體；纜浮球適合污水。浮球水位控制器優(yōu)點是價格適中，缺點是屬于開關量控制，無法給出實際水位。并且管式浮球容易卡滯，纜浮球容易纏繞，所有浮球都有觸點接觸不良現象，其后果是容易造成系統(tǒng)失控，調整控制點很不方便。另外，水塔的水溫檢測系統(tǒng)也一般是獨立的系統(tǒng)，并不能與水位系統(tǒng)整合在一起，實際使用中比較不方便[1]。
基于這一現狀，筆者設計了一款基于超聲波和溫度傳感器的水塔水位水溫監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠超聲波的回聲來測量水塔液位高度，其最大檢測高度可達6m；溫度傳感器采用DS18B20，測溫范圍-55℃～+125℃。該傳感器參數足以應用于水塔的水位水溫監(jiān)控。
2 系統(tǒng)方案設計
整個系統(tǒng)由HC-SR04超聲波模塊、DS18B20溫度模塊、顯示模塊、報警模塊、單片機最小系統(tǒng)、電源管理模塊、RS485總線模塊等組成。系統(tǒng)以單片機為核心，讀取DS18B20溫度模塊溫度數據和超聲波模塊數據，通過RS485總線與上位機進行數據交換。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。
3 硬件設計
3.1 單片機最小系統(tǒng)
在此次設計中，由于系統(tǒng)的處理任務比較少，因此采用傳統(tǒng)的51單片機作為核心微控制器。單片機不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機的使用領域十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等[2]。
3.2 電源管理模塊
電源管理模塊是這個系統(tǒng)的能量來源，在此次設計中，采用5V直流電為超聲波模塊、單片機最小系統(tǒng)、溫度檢測模塊、RS485總線模塊、顯示模塊、報警模塊等供電。
3.3 超聲波模塊
利用超聲波指向性強，在介質中傳播的距離較遠的特點，廣泛應用于物體距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求[3]。超聲波測量水位的原理是：超聲波模塊放置在水塔頂端，通過超聲波發(fā)射裝置向水塔水面間隔一定的時間發(fā)射超聲波，同時單片機打開定時器，超聲波在空氣中傳播，途中碰到水面就立即返回來，一旦接收到返回的超聲波，單片機馬上關閉定時器，并讀取定時器寄存器的數據，通過簡單的運算計算出超聲波發(fā)射到接收的時間差t，超聲波在空氣中的傳播速度340m/s，就可以知道計算出超聲波發(fā)射點距水面的距離s，即s=340×t/2，然后在設計之初先設置好超聲波到水塔底的距離h1，通過單片機減法運算后即可以得出水位高度h2=h1-s。
3.4 溫度檢測模塊
DS18B20是常用的溫度傳感器，單總線通信方式，具有成本低、體積小、硬件電路簡單、抗干擾能力強、精度高、測溫范圍廣、誤差小的特點，廣泛應用于生活和工業(yè)測溫領域[4]。
3.5 RS485總線模塊
RS485采用差分信號負邏輯，最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps，傳輸速率與傳輸距離成反比，是目前工業(yè)應用的比較常用的一種串行總線。RS485接口組成的半雙工網絡，一般是兩線制，多采用屏蔽雙絞線傳輸。這種接線方式為總線式拓撲結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。在此次設計中，該系統(tǒng)為從機模式，可以與上位機（主機）進行數據交換。
3.6 顯示與報警模塊
系統(tǒng)采用OLED顯示屏，與單片機使用SPI總線進行數據交換，可以方便顯示水溫、水位的數據，并且在異常情況下顯示異常信息。報警采用有源蜂鳴器加發(fā)光二極管，當水位和水溫異常時，單片機IO口輸出低電平，驅動PNP三極管，進而驅動蜂鳴器與發(fā)光二極管，對用戶進行聲光提醒[6]。
4 軟件設計
水塔水位水溫監(jiān)測系統(tǒng)的程序結構由超聲波模塊、溫度檢測模塊、RS485總線模塊、顯示與報警模塊等程序組成。程序使用C語言在Keil4中進行編寫調試，采用模塊化程序設計思路，以使得程序結構清晰、修改方便、可移植性強、便于調試。裝置上電開機后，先初始化各函數變量和各個模塊，然后與主機通過RS485總線進行通信，識別主機有無指令以及指令內容。接著超聲波模塊發(fā)射超聲波，單片機等待超聲波回波，計算水位高度，判斷液位高度是否正常，如果正常，在顯示屏上顯示當前液位高度，如果異常，顯示異常信息并進行報警。然后進行水溫的檢測，同水位檢測一樣，水溫正常顯示當前水溫，異常顯示異常信息并報警。
5 結語
水塔水位水溫監(jiān)測系統(tǒng)在實際的測試與使用過程中體現出較好的實用性，基本滿足了設計需求。該系統(tǒng)維護、檢修比較方便，允許通過RS485總線組網，具有很強的擴展性與靈活性。但該裝置的不足也比較明顯，比如水位測量受限于超聲波模塊的測距最遠距離，在超過6米的水塔基本無法使用，并且超聲波模塊的安裝也需要盡量垂直于液面，否則容易出現無法接收到超聲波回波的情況，進而對水位檢測失敗。
【參考文獻】
【1】袁新娣.基于單片機的智能水塔水位控制系統(tǒng)設計[J].贛南師范學院學報，2010（6）：52-54.
【2】蘇家健，曹柏榮，汪志鋒.單片機原理及應用技術[M].北京：高等教育出版社，2004：1-3.