【文章內(nèi)容簡介】 的基極電阻 ,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2021 工作電壓高，工作電流大，通電電流可達 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2021 是大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機錘和其他類似負載間的接口的理想器件。廣泛用于計算機，工業(yè)和消費類產(chǎn)品中。 ULN2021 的設(shè)計與標準 TTL系列兼容。它的引腳連接圖如圖 ，步進電機與驅(qū)動器的連接圖如 。 規(guī)格參數(shù) 絕緣電阻： 100MΩ min， 500VDC 步距精度： 5% 機身長： 65mm 引線數(shù)： 8 電阻： 14? 轉(zhuǎn)動慣量： 780g/ 2cm 重量： 耐壓： 500VAC 溫升： 75176。C 步距角： 176。 靜力距： 電流： 電感： 定位力距： 表 步進電機的規(guī)格參數(shù) 圖 步進電機外部接線圖 陀螺 為了保證系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定，同時能過實現(xiàn)控制器對系統(tǒng)的實時控制，系統(tǒng)采用陀螺作為信號輸入器件，保證系統(tǒng)的伺服穩(wěn)定。 陀螺儀是一種利用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏 感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。 陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運動的 自動控制系統(tǒng) 中，作為 水平 、 垂直 、 俯仰 、航向和角速度傳感器 。 表明陀螺主要用于飛行指令，作為駕駛和導航工具。 陀螺儀分為，圖 ULN2021 的管腳連接圖 圖 步進電機與驅(qū)動器連接圖 俯仰軸 步進電機 橫滾軸 步進電機 方位軸 步進電機 壓電陀螺儀，微機械陀螺儀，光纖陀螺儀和激光陀螺儀，它們都是電子式的，并且它們可以和加速度計，磁阻芯片， GPS，做成慣性導航控制系統(tǒng)。陀螺原理就是一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸的方向指不受外界影響，是不會改變的。 陀螺在工作中給它 轉(zhuǎn)速 ，讓 它旋轉(zhuǎn)得快，通常可以達到每分鐘轉(zhuǎn)速幾十萬， 它 可以長時間工作。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng) [19]。 系統(tǒng)采用的是美國公司的 HORIZON系列的微機械角速度壓電陀螺。 Horizon 系列陀螺儀是基于壓電式陀螺原理制作的，是一種可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊的固體角速度慣性傳感器。它的測量元件為單片震蕩石英，它的輸出值是一個 0~5V的電壓，同時還需要一個 的參考電壓。 這種壓電材料的陀螺，無需較多的有源元件，溫度穩(wěn)定性提高。 三軸陀螺的具體參數(shù)如表 。 陀螺儀產(chǎn)生的信 號為模擬信號，但是單片機只能識別數(shù)字信號，所以在陀螺儀和單片機之間進行轉(zhuǎn)換。本次設(shè)計中采用 ADC0808 模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行信號轉(zhuǎn)換。ADC0808 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，它有 8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8位開關(guān)樹型 A/D 轉(zhuǎn)換器。 ADC0808 是采樣分辨率為 8 位的、以逐次逼近原理進行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8路模擬輸入信號中的一個進行 A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808 是 ADC0809 的簡化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時采用 ADC0808進行 A/D 轉(zhuǎn)換 [20]。 ADC0808 的引腳圖如圖 所示，陀螺、 ADC0808 轉(zhuǎn)換器和單片機的電路圖如圖 所示。 規(guī)格參數(shù) 標準范圍： 177。 90176。/s 范圍輸出電壓： ~ 重力敏感器： ≤176。/s/g 長期傾斜穩(wěn)定性（ 1 年）： ≤176。/s 輸入電壓： +8~15VDC 范圍輸出電壓： +~+ 啟動時間： 帶寬（ 90176。）： :18HZ 偏差標準溫度斜線刻度： 176。/s 短期傾斜穩(wěn)定性： ≤176。/s 輸入電流： 20MA 偏移量標準溫度比例因子刻度： ≤%/176。C 表 三軸陀螺的規(guī)格參數(shù) 數(shù)字羅盤 在載體運動的過程中，外界會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，天線的平臺會有產(chǎn)生偏差，為了克服偏差需要引進數(shù)字羅盤，同時數(shù)字羅盤還能位系統(tǒng)提供水平基準，在天線伺服控制中數(shù)字羅盤能補償陀螺產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。數(shù)字羅盤，也叫電子羅盤 ,是利用地磁場來定北極的一種方法。傳感器技術(shù)的發(fā)展，促生了磁阻傳感器和 磁通門技術(shù) ，在 數(shù)字羅盤保持水平方面，工程師在該裝置上加上了傾斜傳感器，通過數(shù)字補償量保持數(shù)字羅盤水平。典型的數(shù)字羅盤往往有以下特點 : 三軸磁阻效 圖 ADC0808 引腳圖 AT89C51 圖 ADC0808 與單片機連接圖 陀 螺 儀 應傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償。高速高精度 A/D轉(zhuǎn)換。在數(shù)字羅盤內(nèi)安裝有溫度補償裝置，這就有效保證了指向角和偏移角保持相對穩(wěn)定。內(nèi)置微處理器計算傳感器與磁北夾角，輸出 RS232 格式數(shù)據(jù)幀。可選 RS485 和 RS422 輸出。具有簡單有效的用戶標校指令。具有指向零點修正功能。外殼結(jié)構(gòu)防水，無磁 [21]。 隨著微電子集成技術(shù)以及加工工藝、材料技術(shù)的不斷發(fā)展。數(shù)字羅盤的研究制 造與運用也達到了一個前所未有的水平。目前數(shù)字羅盤按照有無傾角補償可以分為平面數(shù)字羅盤和三維數(shù)字羅盤 ,也可以按照傳感器的不同分為磁阻效應傳感器、霍爾效應傳感器和磁通門傳感器。 系統(tǒng)采用 HMR3000 數(shù)字羅盤， HMR3000 是 Honeywell 公司的產(chǎn)品。它采集了航向、俯仰、橫滾數(shù)據(jù)提供給導航定位系統(tǒng)。 HMR3000 包含三個磁阻傳感器和一個雙軸的液體橫滾傳感器，微處理器控制傳感器的測量順序，控制器操作的參數(shù)存儲在 EEPROM 中，采用 RS232 接口，與單片機進行實時通訊 [12]。 HMR3000 的主要參數(shù)如 表 所示。 HMR3000 與單片機相連接需要通過 RS232 進行串接，才能實現(xiàn)采集處理信息的功能，電路原理圖如圖 所示。 HMR3000的技術(shù)規(guī)格 輸入電壓： +5~15VDC 分辨率：177。 176。 主板尺寸： 83mm*25mm*22mm 波特率： 響應時間： 功率： 25mA 傾斜：177。 45176。 接口方式： RS232 輸出格式： NMEA0183 電流： 30mA 表 HMR3000 主要性能參數(shù) AT89C51 TXD RXD T1IN R1OUT T1OUT R1IN 數(shù) 字 羅 盤 圖 HMR3000 電路連接圖 光電傳感器及限位器 為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的俯仰角限位，還采用了光電傳感器。光電傳感器的工作原理是借助被檢測物體對紅外線的反射或遮光，根據(jù)同步回路的選通、截斷檢測物體的有無。本系統(tǒng)將光電傳感器的遮光片安裝在俯仰軸上，其限位線安裝在與俯仰軸垂直的位置，在俯仰軸轉(zhuǎn)動的過程中，光電傳感器會與遮光片發(fā)生相對運動，以此檢測信號，實現(xiàn)對俯仰角的限位作用。 在 步進電機的控制中，選用電位器作為位置反饋信號。電位器的原理是通過齒輪代替帶動可調(diào)電阻，使輸出電壓改變，從而實現(xiàn)對角位置的檢測，電位器的輸出的電壓范圍是 0~+5V[22]。 光電傳感器采用比杜克的 FM12T02NP31P2 光電傳感器，如圖 所示，限位器選擇上海久菱船舶有限公司的 PH82021 限位器，如圖 所示。光電傳感器和限位器的連接圖如圖 所示。 圖 光電傳感器 圖 限位器 衛(wèi)星信號接收模塊 系統(tǒng)的關(guān)鍵部分在于接收衛(wèi)星信號，對衛(wèi)星信號要進行精準的識別才能達到系 統(tǒng)的功能，同時該衛(wèi)星信號還作為一個參考輸入信號，驅(qū)動步進電機實時補償系統(tǒng)誤差。衛(wèi)星信號為高頻信號，首先需要高頻頭對饋源接收到的衛(wèi)星信號進行降頻放大。高頻頭使用衛(wèi)星接收機的電源。接收到的電磁波有垂直和水平兩種極化方式。地面接收站天線的極化定義是與地平面為基礎(chǔ)的，天線饋源矩形波導口窄邊與地面平行，電場矢量與地平面平行，定義為水平極化；同理，饋源矩形波窄邊導口垂直于地面的稱之為垂直極化。 系統(tǒng)選用衛(wèi)星接收機輸出的 AGC 信號作為跟蹤參考信號。衛(wèi)星接收機提取電波信號的 AGC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖 所示 [23]。 LNA 天線 分路器 LNB 電視接收機 信號處理電路 給通信 圖 獲取 AGC 信號 圖 光電傳感器和限位器的連接圖 光電傳感器 AT89C51 限位器 圖中的 LNA 為低噪聲放大器， LNB 為電視下變頻放大器。電視接收機在波束中心附近輸出一個與天線方向成比例的 AGC 信號，再經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換電路，可以向控制器提供跟蹤信號。系統(tǒng)采用百盛 PROSAT5600 數(shù)字衛(wèi)星接收機。衛(wèi)星信號接收模塊的電路圖如 所示。 電源模塊 系統(tǒng)由多個元件、模塊組成，需要 3種不同電壓的直流電源供電。首先是步進電機驅(qū)動器，需要 24V 的電壓，其次測姿系統(tǒng)需要 5V 電源供電，微處理器模塊需要 電源供電、系統(tǒng)的主電源采用明 緯公司生產(chǎn)的 S15024 開關(guān)電源，其直流輸出電壓為 12V,額定輸出電流 ,采用集成穩(wěn)壓芯片 7805 將電壓從12V 轉(zhuǎn)化為 5V，具體電路如圖 所示。 在測姿系統(tǒng)中電源主要應用在三個部分：一部分是給傳感器供電，一部分是給放大濾波電路供電，最后一部分是給單片機系統(tǒng)供電。其中陀螺和信號調(diào)理電AT89C51 圖 衛(wèi)星信號接收器與單片機連接圖 接收器 圖 5V轉(zhuǎn)換電路 路都需要 12V 電壓供電，而通訊模塊 MAX232 芯片供電電壓為 。 5V 電源由7805 轉(zhuǎn)換獲得，使用 AMS11173 芯片將 5V 轉(zhuǎn)換為 電壓，電路圖如圖 所示。 + 的參考電平通過 穩(wěn)壓管獲得，如圖 所示。 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)硬件的選型和電路原理圖的設(shè)計，包括執(zhí)行器件，驅(qū)動器件，數(shù)字羅盤，傳感器，接收器，單片機及電源模塊的具體參數(shù)介紹和選型。圖 + 圖 5V轉(zhuǎn)換 4 系統(tǒng)穩(wěn)定與跟蹤算法 系統(tǒng)的坐標選擇與方位俯仰角的計算 系統(tǒng)參考坐標系的選取 天線的指向需要有特定的參考坐標，因此在算法的設(shè)計中，需要確定天線的地理坐標系。地理坐標系 OXgYgZg的坐標原點 O 選在衛(wèi)星地面站的重心 處， OZg軸與地球的中線重合，地理坐標定義為 g系 [24]。如圖 。 天線方位角和俯仰角的計算 天線的視角包括天線指向相對地理坐標系的俯仰角和方位角。地理坐標系中的方位俯仰角計算，由于所需對準跟蹤的同步衛(wèi)星所在位置為赤道上空，緯度為零，因此，衛(wèi)星與地面接收站的距離為： ?c os)(2)( 22 HRRHRRD ????? （ ） 公式： ??? coscoscos ? 。 圖 地理坐標系 OXgYgZg 其中，地面距地心的距離為 R（ R=6378km），衛(wèi)星的高度為 H， sp ??? ?? 。其中??? 、 sp 分別為當前所在地經(jīng)度、衛(wèi) 星緯度和所在地緯度。 天線在地理坐標系下的俯仰角為： ?????221c o sc o s1c o sc o s? ??? ? HR RtgEL （ ） 將 H=35786km， R=6378km 代入式（ ），可簡化為 ????? 221 c osc os1 osc os ? ?? ?tgEL （ ） 接收點 P和赤道上空衛(wèi)星的 S間的連線與 水平的夾角為方位角，接收點中看，