【正文】 懸掛運動控制系統(tǒng)（E題）設(shè)計報告摘要：本懸掛控制系統(tǒng)是一個電機控制系統(tǒng)，控制物體在80cm100cm的范圍內(nèi)作直線、圓、尋跡等運動，并且在運動時能顯示運動物體的坐標。設(shè)計采用AT89S52單片機作為核心控制器件，采用57BYG0074型步進電機和高細分步進電機驅(qū)動器SM60作為動力裝置，采用紅外反射式光電傳感器實現(xiàn)畫板上黑色線尋跡檢測，顯示部分用液晶顯示模塊LCD1602實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：懸掛控制、單片機、 步進電機、 紅外反射式光電傳感器一、設(shè)計要求任務(wù)設(shè)計一電機控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜（仰角≤100度）的板上運動。在一白色底板上固定兩個滑輪，兩只電機（固定在板上）通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運動，運動范圍為80cm100cm。物體的形狀不限，質(zhì)量大于100克。物體上固定有淺色畫筆，以便運動時能在板上畫出運動軌跡。板上標有間距為1cm的淺色坐標線（不同于畫筆顏色），左下角為直角坐標原點, 示意圖如下。 基本要求：（1）控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標點參數(shù)；（2）控制物體在80cm100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運動，運動軌跡長度不小于100cm，物體在運動時能夠在板上畫出運動軌跡，限300秒內(nèi)完成；（3）控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運動，限300秒內(nèi)完成；（4）物體從左下角坐標原點出發(fā)，在150秒內(nèi)到達設(shè)定的一個坐標點(兩點間直線距離不小于40cm)。發(fā)揮部分（1）能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標；（2）控制物體沿板上標出的任意曲線運動(見示意圖)，曲線在測試時現(xiàn)場標出，～，總長度約50cm，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，長約30cm；后一部分是兩段總長約20cm的間斷線段，間斷距離不大于1cm；沿連續(xù)曲線運動限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運動限定在300秒內(nèi)完成；（3）其他。評分標準項目滿分基本要求設(shè)計與總結(jié)報告：方案比較、設(shè)計與論證，理論分析與計算，電路圖及有關(guān)設(shè)計文件，測試方法與儀器，測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析。50實際制作完成情況50發(fā)揮部分完成第(1)項10完成第(2)項中連續(xù)線段運動14完成第(2)項中斷續(xù)線段運動16其他10說明物體的運動軌跡以畫筆畫出的痕跡為準，應(yīng)盡量使物體運動軌跡與預(yù)期軌跡吻合，同時盡量縮短運動時間；若在某項測試中運動超過限定的時間，該項目不得分；運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差超過4cm時，該項目不得分；在基本要求(3)、(4)和發(fā)揮部分(2)中，物體開始運動前，允許手動將物體定位；開始運動后，不能再人為干預(yù)物體運動；競賽結(jié)束時，控制系統(tǒng)封存上交賽區(qū)組委會，測試用板(板上含空白坐標紙) 測試時自帶。二、方案論證與選擇方案一：FPGA/CPLD方式。即用FPGA/CPLD完成鍵盤定義與識別、電機工作狀態(tài)選擇與切換、液晶電路的驅(qū)動與控制等功能。這種方案的優(yōu)點在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，而且可以使用的I/O口線很多；缺點是調(diào)試時需要接很多接線，過程繁瑣，而且使用CPLD時，由于其內(nèi)部沒有ROM，對功能的實現(xiàn)有所限制。方案二：單片機方式。即由單片機、電機驅(qū)動電路及電機等組成系統(tǒng)。使用單片機也可以完成鍵盤定義與識別、電機工作狀選擇與切換等功能，組成的系統(tǒng)規(guī)模較小，有一定靈活性，而且可以使用我們比較熟悉的單片機最小系統(tǒng)電路板，減少了工作量。該控制方式需要單片機具有較大的程序存儲量，所以可選擇存儲量為8K的AT89S52單片機?；谝陨戏治?，擬選用方案二。 電機驅(qū)動模塊是本系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，用于控制懸掛物體的運動。 方案1：采用普通小型直流電機。普通直流電機由于其自身結(jié)構(gòu)的限制，控制精度很低，無法達到系統(tǒng)要求的指標，這里不予采用。 方案2：采用專用步進電機驅(qū)動器及與其配套的步進電機。用這種方案的控制精度、效率和可靠性都很高。根據(jù)精度要求選擇方案二。方案一：采用多路陣列式光敏電阻組成的光電探測器。因為光敏電阻探測到黑線時，黑線上方的電阻值發(fā)生變化，經(jīng)過電壓比較器比較將信號送給單片機處理，從而控制物體做相應(yīng)的動作。但由于光敏電阻對環(huán)境光的識別，容易受到外界環(huán)境光的影響。，方案二：采用紅外反射式探測，即用已調(diào)的紅外線垂直射到板面，經(jīng)反射后轉(zhuǎn)換為電信號送入單片機處理。由于使用的是紅外線，不受外界自然光的影響，循跡效果好。基于上面的討論，選用了抗干擾能力強的方案二。方案一：采用LED數(shù)碼管顯示器。LED 數(shù)碼管亮度高，醒目，但是其電路復(fù)雜，顯示信息量較小，且動態(tài)掃描需要占用大量單片機時間，無法做到實時顯示。方案二：采用漢字LCD液晶顯示器。LCD有明顯的優(yōu)點：微功耗、尺寸小，超薄輕巧、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適。本設(shè)計中采用1602字符型LCM。1602字符型LCM克服了LED數(shù)碼管的缺點，具有顯示容量大、占用單片機口線少、節(jié)省單片機時間、功耗低等優(yōu)點，完全符合本系統(tǒng)要求。位置傳感模塊用于實現(xiàn)顯示畫筆位置的功能。對于這個模塊可以有硬件和軟件兩類解決方案。 方案1：在物體上安裝水平和垂直方向的兩只激光筆，在板邊緣每條坐標線旁邊安裝一光電傳感器，物體坐標所在處的傳感器接收到激光筆，即可確定物體位置?？梢姳痉桨腹残枰?80個光電傳感器，造成此方案幾乎不可實現(xiàn)。方案2：采用軟件的方法確定物體位置。單片機控制物體從某個已知的坐標位置出發(fā)，并且記錄步進電機的每一次移動情況，就可以通過一定的算法計算出物體的位置。這種方案沒有位置傳感器，精度較低，但是系統(tǒng)簡單。避免了硬件方案過于復(fù)雜的缺點。本設(shè)計使用方案2。本模塊采用即插型按鍵，—，采用了44的16點陣鍵盤?？梢枣I入1—9的數(shù)字，即可以輸入點的坐標值(X，Y),以及清除，確定，等功能按鍵。 三、系統(tǒng)具體設(shè)計實現(xiàn)硬件電路的設(shè)計（1）系統(tǒng)的總體設(shè)計方案　　如圖31所示采用AT89S52單片機作為運動物體的控制中心，進行數(shù)學(xué)計算、對光電傳感器送來的信號進行處理來控制運動物體的運行方向、計算運行物體的坐標位置、LCD數(shù)據(jù)顯示、鍵盤控制等。圖31 系統(tǒng)方框圖（2）黑線檢測模塊電路黑線檢測模塊電路圖32所示。當紅外線反射式光電傳感器ST178位于黑線之上時，光電開關(guān)輸出高電平；反之，輸出低電平。光電傳感器輸出電平后接反相器74LS04以穩(wěn)定電平和增大驅(qū)動能力。 本設(shè)計采用8個紅外傳感器實現(xiàn)對黑線的檢測，通過并口轉(zhuǎn)串口芯片74LS165將數(shù)據(jù)串行傳送到單片機。圖32 黑線檢測模塊電路（3）鍵盤電路本設(shè)計采用4x4矩陣鍵盤實現(xiàn)數(shù)字的輸入和功能的選擇，鍵盤接到AT89S52單片機的P2口，通過單片機對鍵盤的行列掃描實現(xiàn)按鍵的識別。鍵盤電路如圖33所示：圖33 4x4鍵盤電路對應(yīng)的按鍵碼如下：789/456/123/清除0確認/（4）單片機電源電路單片機控制電路、紅外傳感器模塊電路和液晶顯示模塊均采用+5V供電，采用集成穩(wěn)壓芯片7805來實現(xiàn)，電路圖如圖34所示。圖34單片機電源電路（5）步進電機驅(qū)動電路本設(shè)計采用57BYG0074型步進電機和專用高細分步進電機驅(qū)動器SM60作為動力裝置。57BYG0074型步進電機為四相混合式步進電機，由于實驗室現(xiàn)有電機驅(qū)動器為兩相的，固步進電機作兩相使用。電機驅(qū)動器SM60接口如下：☆ GND端為外接直流電源，直流電壓為12v☆A(yù)+，A端為電機A相，B+，B端為電機B相。☆+COM端為光電隔離電源公共端，接單片機供電電源為+5V，☆CP端為脈沖信號，下降沿有效?！頓IR端為方向控制信號，電平高低決定電機運行方向?！頕REE端為驅(qū)動器使能，高電平或懸空電機可運行。低電平驅(qū)動器無電流輸出，電機處于自由狀態(tài)。軟件及算法設(shè)計（1）物體位置的計算圖 35 物體位置示意圖　　坐標點參數(shù)的計算　　將畫筆所在的位置設(shè)定為整個物體的位置。如圖35　　設(shè)定物體位置的初值坐標為（X,Y）　　L1= 　　L2= 　　設(shè)電機A 的步進為a cm, 電機B的步進為b cm，物體高度為h cm?！　∪鐖D8為物體在畫板某一位置，則有：　　　　　　解得X軸點位置和h為　　　　　　則Y軸點位置　　Y=115h　　控制物體從一點到另一點的實現(xiàn)就是當X、Y已知條件，求電機的步進過程。由圖8 解得：　　　　　　解得 　　 （cm）　?。╟m）　　由此，利用軟件實現(xiàn)以上算法來分別控制兩個步進電機的步進a，b，這樣就可以向控制系統(tǒng)輸入起點坐標和終點坐標讓物體在畫板置任意行走。（2）直線算法： 目前畫直線的算法也算是有很多，比如：逐點比較直線插補，脈沖增量插補和數(shù)據(jù)采集插補，本設(shè)計根據(jù)實際所學(xué)知識，選擇了逐點比較直線插補法,具體如下：逐點比較法的基本原理是，在刀具按要求軌跡運動加工零件輪廓的過程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進給方向，使刀具向減小偏差的方向進給。圖36 第一象限直線如圖36所示，設(shè)直線的起點為坐標原點，終點坐標為A（,），點m (,)為加工點（動點）。定義偏差公式為 。若=0，表明點m在OA直線段上；若0，表明點m在OA直線段上方，即點m’ 處；若0, 表明點m在OA直線段下方，即點m’’處。由此可得第一象限直線逐點比較法插補的原理是：從直線的起點出發(fā)，當0時，沿+x軸方向走一步；當0時，沿+y軸方向走一步；當兩方向所走的步數(shù)與終點坐標（,）相等時，發(fā)出終點到信號，停止插補。可以將上面所定義的偏差公式進一步簡化，推導(dǎo)出偏差的遞推公式。① 當0時，沿+x軸方向進給一步， （1）②當0時，沿+y軸方向進給一步， （2）式（1）和式（2）是簡化后偏差的計算公式，在公式中只有一次加法或減法運算，新加工點的偏差都可由前一點偏差和終點坐標相加或相減得到。本體設(shè)計中采用以上原理，不過對于非原點開始的直線，采用起點坐標歸零思想，結(jié)果也證明了改思路的可行性。（3）畫圓算法：畫圓算法采用圓弧插補法。圓弧插補法也是在繪圖系統(tǒng)中常用的一種方法，它和直線插補法原理相同，也是逐點比較算法。若 F=0，表明加工點在圓弧上；F＞0，表明加工點在圓弧外；F＜0，表明加工點在圓弧內(nèi)。若 F≥0，為逼近圓弧，下一步向X軸進給一步，并計算出新的偏差值；F＜0，為逼近圓弧，下一步向+Y 軸進給一步，并計算出新的偏差值。各象限插補公式如下在實際操作中，可以以圓心為假設(shè)的坐標原點，再根據(jù)上面的原理設(shè)計算法。（4）循跡黑線的探測及循跡算法在以畫筆為中心，半徑20毫米的圓周上安裝了8個反射式紅外對管作為軌跡探測傳感器，安裝方式如圖3所示。 076543211+1圖37 軌跡探測傳感器安裝方式 圖38 方向調(diào)整示意圖根據(jù)圖37安裝方式及安裝半徑，只要系統(tǒng)的采樣頻率足夠高，軌跡是無法脫離探測范圍的。但由于使用了8個傳感器，不同傳感器信號間的組合太多，使用一般窮舉辦法難以實現(xiàn)循跡控制，因此自己設(shè)計了一套循跡算法。如圖38，定義了物體循跡時運動的8個方向，圖中黑箭頭（1號方向上）表示物體當前的循跡方向。循跡時，使用變量Direct表示當前物體運動方向，物體每次運動時先按當前方向向前步進一段固定的距離，然后檢測采樣傳感器信號并調(diào)整Direct，再沿新的Direct方向步進。由于所給的曲線是連續(xù)的，所以每次調(diào)整Direct只能是＋1或－1。如圖38所示，Direct在需向左偏時則Direct加1，需向右偏則減1，繼續(xù)前進則保持不變。由于只有8個運動方向，所以對Direct的運算需在模8的范圍內(nèi)（0～7）進行。現(xiàn)在考慮如何決定左偏或右偏的問題，使用上述調(diào)整辦法只需要根據(jù)Direct的前后方向及左右方向的四個信號對Direct調(diào)整即可。如圖4中僅需根據(jù)7方向的信號對Direct調(diào)整。由于每個方向上177。1和保持不變的傳感器信號是一定的，故對8個方向上的調(diào)整策略用一個靜態(tài)數(shù)組的形式保存起來，調(diào)整時直接查表即可，方便編程。這種循跡算法大大地減少了循跡運動的調(diào)試時間，為整個作品成功的完成打下了基礎(chǔ)。當每次步進的距離較小時，若在Direct方向的前、左、右三處的傳感器同時發(fā)現(xiàn)是白紙，則表明傳感器探測到了曲線的間斷部分或盡頭，此時應(yīng)根據(jù)前幾次（2～3次）Direct的平均值作為探索方向，再向前步進2～3步，保證循跡的正確停止。在取平均值時，需對7224。0和0224。7的轉(zhuǎn)變作特殊處理，否則可能出錯。實踐證明，按照上面的辦法循跡迅速穩(wěn)定，并且不會受交叉線的影響。由于軌跡線有一定寬度，實際的軌跡不可能轉(zhuǎn)折得十分迅速，當步進距離較小時，甚至可以完成銳角的循跡。本系統(tǒng)使用的步進距離是5毫米，效果很好。（5）系統(tǒng)主程序流程框圖上電，初始化液晶顯示等待按鍵，選擇所需的功能1直線2正方形 3圓 4循跡輸入起 點終點坐 標按照事先設(shè)定運 行設(shè)定圓心手動到 點手動到循跡起始 點執(zhí) 行 部 件返回顯示程序按鍵確認，進入對應(yīng)程序圖39