【正文】 1 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（ E題） 摘要： 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī) AT89C55 作為懸掛運(yùn)動(dòng)的檢測和控制核心。采用四只反射式紅外傳感器檢測板上的黑色曲線，控制物體沿黑線運(yùn)動(dòng)。利用可編程器件 GAL16V8 實(shí)現(xiàn)的脈沖分配器和大功率驅(qū)動(dòng)電路 L298 共同組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)合軟件控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。基于可靠的硬件設(shè)計(jì)和穩(wěn)定精確的軟件算法，實(shí)現(xiàn)了物體在斜板上作圓周運(yùn)動(dòng)、定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和畫 板上標(biāo)出的 任意曲線 運(yùn)動(dòng) 。 LCD320240 作為液晶顯示界面容量大，顯示內(nèi)容豐富，通過與鍵盤結(jié)合設(shè)置坐標(biāo)點(diǎn)和選擇運(yùn)動(dòng)方式，并能直觀顯示畫筆所在的位置 ，具有良好的人機(jī)交互功能。系統(tǒng)增加了由 AT89C51 控制的無線數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，并采用雙口 RAM IDT7132 將主控制 CPU AT89C55 和AT89C51 進(jìn)行隔離，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。 關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī)，紅外檢測，雙口 RAM Abstract: In this design, microputer AT89C55 was applied as the control center. Four reflectinginfrared sensors were used to detect black lines and to keep the object moving along the black line. Stepping motors’s turning and rotating speed were controlled by the drive circuit, which are constituted by GAL16V8 and L298. Based on the reliable hardware design and the precise software algorithm, the object has successfully fulfilled circular movements, movements on a certain point and arbitrary curvy movements shown on the board. In order to make the design more intelligent, LCD320240 was employed as display interface, indicating the location of the painting brush intuitionistically. By bining the keyboard and DS1302 LCD, this design has also achieved coordinate points setting and movement manner selecting. The additional function of radio data transmission which is controlled by AT89C51,made available the longdistance control of the system. CPU AT89C55 and AT89C51 are separated by IDT7132 to ensure data stability and security. Key word: stepping motor, reflectinginfrared sensors, dualport RAM 2 目 錄 1. 系統(tǒng)方案論證與比較 ????????????????????????? 4 設(shè)計(jì)思路 ??? ?????????????????????????? 4 方案選擇與論證 ??? ???????????????????????? 4 總體方案選擇與論證 ???? ?????????????????? 4 各模塊方案選擇與論證 ??? ?????????????????? 5 控制器選擇與論證 ?????????????????????? 5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證 ?????????????????? 5 黑線檢測方案的選擇與論證 ?????????????????? 6 鍵盤方案的選擇與論證 ???????????????????? 6 顯示方案的選擇和論證 ???????????????????? 7 無線數(shù)據(jù)傳輸方案的選擇與論證 ???????????????? 7 系統(tǒng)各模塊的最終方案 ????? ?????????????????? 7 2. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ?????? ??????????????????? 8 系統(tǒng)硬件的基本組成部分 ??? ???????????????????? 8 主要單元電路的設(shè)計(jì) ??? ????????????????????? 8 單片機(jī)控制電路 ?????? ??????????????????? 8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 ???????????? ?????????????? 9 黑線檢測電路 ?????????????????????????? 10 鍵盤 /顯示電路 ????????????????? ???????? 11 無線發(fā)射接收電路 ???????????????????????? 12 自制電源電路 ?????????????????????????? 13 3. 系統(tǒng)的理論分析與計(jì)算 ??? ?????????????????????? 14 物體到達(dá)設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)過程的理論分析與計(jì)算 ??????????????? 14 圓周運(yùn)動(dòng)理論分析與計(jì)算 ?????????????????????? 15 黑線檢測理論分析 ???????????????????????? ? 17 4. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ???????????????????????????? 18 系統(tǒng)主程序流程圖 ?????????????????????????? 18 3 鍵盤子程序 ??????????????????????????? 20 指定坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)子程序???????????????????????? 20 黑線檢測子程序 ??? ??????????????????????? 20 5. 系統(tǒng)測試與分析 ??????????????????????????? 22 測試儀器 ???????????????????????????? 22 測試方案、數(shù)據(jù)及結(jié)果分析 ???????????????????? 23 自行設(shè)定運(yùn)動(dòng)測試 ?????????????????????? 23 圓周運(yùn)動(dòng)測試 ????????????????????????? 23 指定坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)測試 ??????????????????????? 24 黑線檢測測試 ????????????????????????? 25 6. 結(jié)束語 ?? ??????????? ?????????????????2 5 參考文獻(xiàn) ?? ????????????????????????????? 25 附錄 1：主要元器件清單 ?? ?????????????????????? 26 附錄 2 系統(tǒng)原理圖 ?? ???????????????????????? 27 附錄 3 系統(tǒng)使用說 ?????????????????????????? 28 附錄 4 程序清單 ??????????????????????????? 29 4 1. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與比較 設(shè)計(jì)思路 題 目要求設(shè)計(jì)一電機(jī)控制系統(tǒng)來控制物體在傾斜（仰角≤ 100176。）的板上運(yùn)動(dòng)。根據(jù)要求需采用兩只電機(jī)來控制物體在斜板上的運(yùn)動(dòng)方向。采用傳感器檢測黑色曲線，使物體能夠沿任意給定的曲線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡偏差≤ 4cm。坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)的設(shè)定可以通過鍵盤來實(shí)現(xiàn)。為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可讀性并實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，本次設(shè)計(jì)增加了顯示和無線數(shù)據(jù)傳輸和控制功能。 方案選擇與論證 總體方案選擇與論證 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)作為控制物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，根據(jù)懸掛物體的兩段吊繩的長度來調(diào)整物體在斜板上的位置，完成作曲線、畫圓、尋找坐標(biāo) 點(diǎn)等功能。利用幾何原理分別計(jì)算出物體在當(dāng)前坐標(biāo)位置和目的坐標(biāo)位置下兩段吊繩的長度，分別比較各段吊繩的變化情況，以此判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)向；并根據(jù)變化值的大小確定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的脈沖數(shù)，系統(tǒng)控制器根據(jù)要求向驅(qū)動(dòng)發(fā)出相應(yīng)的脈沖數(shù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過要求的步數(shù)，使物體運(yùn)動(dòng)到達(dá)相應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是具有快速啟停能力，只要負(fù)載不超過步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能使步進(jìn)電機(jī)立即啟動(dòng)或停止。我們采用常用四相八拍的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈有 800 步，轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。 方案二：總體設(shè)計(jì)思想 與方案一相似，也是根據(jù)吊繩長度來調(diào)整物體的坐標(biāo)位置，采用直流伺服電機(jī)控制物體運(yùn)動(dòng)。直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)頻繁的啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)；且伺服電機(jī)自帶光柵，具有高掃描精度，能精確的檢測出電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度。但是在方案一的基礎(chǔ)上，在物體在運(yùn)動(dòng)過程中，繩子與豎直方向的夾角是隨物體的運(yùn)動(dòng)而變化的，這使伺服電機(jī)在牽引物體時(shí)其牽引力隨物體的位置的改變而改變，其中力的變化和位置的改變是一個(gè)非常復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，這要求系統(tǒng)具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)對執(zhí)行系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)做出迅速改變 。這對于 DSP 等具有高速數(shù)據(jù)處理能力的系統(tǒng)來說相對容易，但對于 MSC51 系列的單片機(jī)來說其要求實(shí)現(xiàn)難度較大。 上述兩種方案都能實(shí)現(xiàn)本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，而且控制靈活，精度較高，經(jīng)過仔細(xì) 5 地分析討論，考慮到方案一在數(shù)據(jù)處理上相對簡單，本設(shè)計(jì)采用方案一。 各模塊方案選擇與論證 控制器選擇與論證 方案一：采用 CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）作為系統(tǒng)的控制器。 CPLD 內(nèi)部各類門電路齊全，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定度 ，也可以運(yùn)用 VHDL（超高速硬件描述語言）語言軟件來實(shí)現(xiàn)，而不必畫出各邏輯電路的器件框圖。 CPLD 采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。由檢測模塊輸出的信號(hào)并行輸入 CPLD， CPLD 通過軟件程序設(shè)計(jì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制各模塊的正常工作，而且掉電數(shù)據(jù)不丟失，但由于 CPLD 的集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和焊接的工作，若用實(shí)驗(yàn)箱的導(dǎo)線來連接，則可靠性不高，也影響美觀。 方案二：采用單片機(jī) AT89C55作為系統(tǒng)的 控制器。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程來實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)熟練和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 基于以上分析，采用方案二。由于本次設(shè)計(jì)中添加了無線數(shù)據(jù)傳輸功能，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，為了保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，本設(shè)計(jì)采用雙 CPU 作為控制系統(tǒng)。兩片 單片機(jī)分別對各模塊進(jìn)行檢測和控制，這樣減輕了單個(gè) CPU 的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要通過控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)物體在 斜板上的運(yùn)動(dòng)。對于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路有以下幾種方案。 方案一：采用繼電器對電機(jī)的開關(guān)進(jìn)行控制，通過控制開關(guān)的切換速度實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。該方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，但是繼電器的響應(yīng)時(shí)間長，易損壞，所以不符合高速控制系統(tǒng)且壽命較短，可靠性不高。 方案二：采用軟件法。按照給定的通電換相順序，通過單片機(jī)的 I/O 口向驅(qū)動(dòng)芯片電路發(fā)出控制脈沖，并通過改變延時(shí)的時(shí)間來改變輸出脈沖的頻率，從而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。該方法需要占用大量的 CPU 時(shí)間，難以處理其它任務(wù)，降低了 CPU的工作效率。 6 方案三：采用可編程器件 GAL實(shí)現(xiàn)脈沖分配。 GAL可采用 ABEL 語言按照給定的通電換相順序?qū)崿F(xiàn)脈沖分配，并向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖。該方案的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是采用軟硬件結(jié)合的方法，大大減輕了 CPU 的負(fù)擔(dān)，只有向 GAL 發(fā)出兩個(gè)控制信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。另一個(gè)特點(diǎn)就是電路簡單，只需兩片芯片即可，不需外加任何元件。 基于以上分析，采用方案三。 黑線檢測方案的選擇與論證 方案一： 采用光電三極管作為采樣傳感器。利用光電三極管的光生伏特效應(yīng)，利用黑色物體與白色物體對于光線的反射的不同，控制光電三極管的導(dǎo)通與截止，來反映當(dāng)前傳感器正 對的是黑線或者是白色的底板。 由于利用自然光容易受環(huán)境的干擾，也難適合環(huán)境的變化。同時(shí)底板的淺色網(wǎng)格線造成的干擾難以消除或者減弱。 方案二：采用一體化紅外對管作采樣傳感器。一體化紅外對管，與其他光電傳感器具有相同或者相似的工作原理。但由于其工作在不可見的紅外光波段而具有一定的優(yōu)勢。同時(shí)由于紅外對管本身帶有濾光片，能減少環(huán)境光線的干擾。配合其他措施，甚至可以基本消除環(huán)境光線干擾。圖 為紅外傳感器檢測框圖。 紅 外 對 管 過 壓 比 較 器 單片機(jī)