【正文】 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（E題）設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本懸掛控制系統(tǒng)是一個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)，控制物體在80cm100cm的范圍內(nèi)作直線、圓、尋跡等運(yùn)動(dòng)，并且在運(yùn)動(dòng)時(shí)能顯示運(yùn)動(dòng)物體的坐標(biāo)。設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為核心控制器件，采用57BYG0074型步進(jìn)電機(jī)和高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SM60作為動(dòng)力裝置，采用紅外反射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)畫板上黑色線尋跡檢測(cè)，顯示部分用液晶顯示模塊LCD1602實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：懸掛控制、單片機(jī)、 步進(jìn)電機(jī)、 紅外反射式光電傳感器一、設(shè)計(jì)要求任務(wù)設(shè)計(jì)一電機(jī)控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜（仰角≤100度）的板上運(yùn)動(dòng)。在一白色底板上固定兩個(gè)滑輪，兩只電機(jī)（固定在板上）通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)能在板上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡。板上標(biāo)有間距為1cm的淺色坐標(biāo)線（不同于畫筆顏色），左下角為直角坐標(biāo)原點(diǎn), 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(biāo)點(diǎn)參數(shù)；（2）控制物體在80cm100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡長度不小于100cm，物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠在板上畫出運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，限300秒內(nèi)完成；（4）物體從左下角坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，在150秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(兩點(diǎn)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(biāo)；（2）控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運(yùn)動(dòng)(見示意圖)，曲線在測(cè)試時(shí)現(xiàn)場標(biāo)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(yùn)動(dòng)限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運(yùn)動(dòng)限定在300秒內(nèi)完成；（3）其他。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目滿分基本要求設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告：方案比較、設(shè)計(jì)與論證，理論分析與計(jì)算，電路圖及有關(guān)設(shè)計(jì)文件，測(cè)試方法與儀器，測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析。50實(shí)際制作完成情況50發(fā)揮部分完成第(1)項(xiàng)10完成第(2)項(xiàng)中連續(xù)線段運(yùn)動(dòng)14完成第(2)項(xiàng)中斷續(xù)線段運(yùn)動(dòng)16其他10說明物體的運(yùn)動(dòng)軌跡以畫筆畫出的痕跡為準(zhǔn)，應(yīng)盡量使物體運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡吻合，同時(shí)盡量縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)間；若在某項(xiàng)測(cè)試中運(yùn)動(dòng)超過限定的時(shí)間，該項(xiàng)目不得分；運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差超過4cm時(shí)，該項(xiàng)目不得分；在基本要求(3)、(4)和發(fā)揮部分(2)中，物體開始運(yùn)動(dòng)前，允許手動(dòng)將物體定位；開始運(yùn)動(dòng)后，不能再人為干預(yù)物體運(yùn)動(dòng)；競賽結(jié)束時(shí)，控制系統(tǒng)封存上交賽區(qū)組委會(huì)，測(cè)試用板(板上含空白坐標(biāo)紙) 測(cè)試時(shí)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(shí)別、電機(jī)工作狀態(tài)選擇與切換、液晶電路的驅(qū)動(dòng)與控制等功能。這種方案的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是調(diào)試時(shí)需要接很多接線，過程繁瑣，而且使用CPLD時(shí)，由于其內(nèi)部沒有ROM，對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)有所限制。方案二：單片機(jī)方式。即由單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及電機(jī)等組成系統(tǒng)。使用單片機(jī)也可以完成鍵盤定義與識(shí)別、電機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)電路板，減少了工作量。該控制方式需要單片機(jī)具有較大的程序存儲(chǔ)量，所以可選擇存儲(chǔ)量為8K的AT89S52單片機(jī)?；谝陨戏治?，擬選用方案二。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于控制懸掛物體的運(yùn)動(dòng)。 方案1：采用普通小型直流電機(jī)。普通直流電機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)的限制，控制精度很低，無法達(dá)到系統(tǒng)要求的指標(biāo)，這里不予采用。 方案2：采用專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及與其配套的步進(jìn)電機(jī)。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(cè)器。因?yàn)楣饷綦娮杼綔y(cè)到黑線時(shí)，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(hào)送給單片機(jī)處理，從而控制物體做相應(yīng)的動(dòng)作。但由于光敏電阻對(duì)環(huán)境光的識(shí)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(cè)，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(hào)送入單片機(jī)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?；谏厦娴挠懻摚x用了抗干擾能力強(qiáng)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(dòng)態(tài)掃描需要占用大量單片機(jī)時(shí)間，無法做到實(shí)時(shí)顯示。方案二：采用漢字LCD液晶顯示器。LCD有明顯的優(yōu)點(diǎn)：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(jì)中采用1602字符型LCM。1602字符型LCM克服了LED數(shù)碼管的缺點(diǎn)，具有顯示容量大、占用單片機(jī)口線少、節(jié)省單片機(jī)時(shí)間、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，完全符合本系統(tǒng)要求。位置傳感模塊用于實(shí)現(xiàn)顯示畫筆位置的功能。對(duì)于這個(gè)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(biāo)線旁邊安裝一光電傳感器，物體坐標(biāo)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(gè)光電傳感器，造成此方案幾乎不可實(shí)現(xiàn)。方案2：采用軟件的方法確定物體位置。單片機(jī)控制物體從某個(gè)已知的坐標(biāo)位置出發(fā)，并且記錄步進(jìn)電機(jī)的每一次移動(dòng)情況，就可以通過一定的算法計(jì)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(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用方案2。本模塊采用即插型按鍵，—，采用了44的16點(diǎn)陣鍵盤?？梢枣I入1—9的數(shù)字，即可以輸入點(diǎn)的坐標(biāo)值(X，Y),以及清除，確定，等功能按鍵。 三、系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案　　如圖31所示采用AT89S52單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心，進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算、對(duì)光電傳感器送來的信號(hào)進(jìn)行處理來控制運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行方向、計(jì)算運(yùn)行物體的坐標(biāo)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(cè)模塊電路黑線檢測(cè)模塊電路圖32所示。當(dāng)紅外線反射式光電傳感器ST178位于黑線之上時(shí)，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(dòng)能力。 本設(shè)計(jì)采用8個(gè)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)黑線的檢測(cè)，通過并口轉(zhuǎn)串口芯片74LS165將數(shù)據(jù)串行傳送到單片機(jī)。圖32 黑線檢測(cè)模塊電路（3）鍵盤電路本設(shè)計(jì)采用4x4矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)數(shù)字的輸入和功能的選擇，鍵盤接到AT89S52單片機(jī)的P2口，通過單片機(jī)對(duì)鍵盤的行列掃描實(shí)現(xiàn)按鍵的識(shí)別。鍵盤電路如圖33所示：圖33 4x4鍵盤電路對(duì)應(yīng)的按鍵碼如下：789/456/123/清除0確認(rèn)/（4）單片機(jī)電源電路單片機(jī)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(shí)現(xiàn)，電路圖如圖34所示。圖34單片機(jī)電源電路（5）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)采用57BYG0074型步進(jìn)電機(jī)和專用高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SM60作為動(dòng)力裝置。57BYG0074型步進(jìn)電機(jī)為四相混合式步進(jìn)電機(jī)，由于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為兩相的，固步進(jìn)電機(jī)作兩相使用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)A相，B+，B端為電機(jī)B相?！?COM端為光電隔離電源公共端，接單片機(jī)供電電源為+5V，☆CP端為脈沖信號(hào)，下降沿有效?！頓IR端為方向控制信號(hào)，電平高低決定電機(jī)運(yùn)行方向。☆FREE端為驅(qū)動(dòng)器使能，高電平或懸空電機(jī)可運(yùn)行。低電平驅(qū)動(dòng)器無電流輸出，電機(jī)處于自由狀態(tài)。軟件及算法設(shè)計(jì)（1）物體位置的計(jì)算圖 35 物體位置示意圖　　坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算　　將畫筆所在的位置設(shè)定為整個(gè)物體的位置。如圖35　　設(shè)定物體位置的初值坐標(biāo)為（X,Y）　　L1= 　　L2= 　　設(shè)電機(jī)A 的步進(jìn)為a cm, 電機(jī)B的步進(jìn)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(diǎn)位置和h為　　　　　　則Y軸點(diǎn)位置　　Y=115h　　控制物體從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)就是當(dāng)X、Y已知條件，求電機(jī)的步進(jìn)過程。由圖8 解得：　　　　　　解得 　　 （cm）　　（cm）　　由此，利用軟件實(shí)現(xiàn)以上算法來分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)a，b，這樣就可以向控制系統(tǒng)輸入起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)比較直線插補(bǔ)，脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采集插補(bǔ)，本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際所學(xué)知識(shí)，選擇了逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)法,具體如下：逐點(diǎn)比較法的基本原理是，在刀具按要求軌跡運(yùn)動(dòng)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(duì)位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具向減小偏差的方向進(jìn)給。圖36 第一象限直線如圖36所示，設(shè)直線的起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)坐標(biāo)為A（,），點(diǎn)m (,)為加工點(diǎn)（動(dòng)點(diǎn)）。定義偏差公式為 。若=0，表明點(diǎn)m在OA直線段上；若0，表明點(diǎn)m在OA直線段上方，即點(diǎn)m’ 處；若0, 表明點(diǎn)m在OA直線段下方，即點(diǎn)m’’處。由此可得第一象限直線逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的原理是：從直線的起點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)0時(shí)，沿+x軸方向走一步；當(dāng)0時(shí)，沿+y軸方向走一步；當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)（,）相等時(shí)，發(fā)出終點(diǎn)到信號(hào)，停止插補(bǔ)?？梢詫⑸厦嫠x的偏差公式進(jìn)一步簡化，推導(dǎo)出偏差的遞推公式。① 當(dāng)0時(shí)，沿+x軸方向進(jìn)給一步， （1）②當(dāng)0時(shí)，沿+y軸方向進(jìn)給一步， （2）式（1）和式（2）是簡化后偏差的計(jì)算公式，在公式中只有一次加法或減法運(yùn)算，新加工點(diǎn)的偏差都可由前一點(diǎn)偏差和終點(diǎn)坐標(biāo)相加或相減得到。本體設(shè)計(jì)中采用以上原理，不過對(duì)于非原點(diǎn)開始的直線，采用起點(diǎn)坐標(biāo)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(bǔ)法。圓弧插補(bǔ)法也是在繪圖系統(tǒng)中常用的一種方法，它和直線插補(bǔ)法原理相同，也是逐點(diǎn)比較算法。若 F=0，表明加工點(diǎn)在圓弧上；F＞0，表明加工點(diǎn)在圓弧外；F＜0，表明加工點(diǎn)在圓弧內(nèi)。若 F≥0，為逼近圓弧，下一步向X軸進(jìn)給一步，并計(jì)算出新的偏差值；F＜0，為逼近圓弧，下一步向+Y 軸進(jìn)給一步，并計(jì)算出新的偏差值。各象限插補(bǔ)公式如下在實(shí)際操作中，可以以圓心為假設(shè)的坐標(biāo)原點(diǎn)，再根據(jù)上面的原理設(shè)計(jì)算法。（4）循跡黑線的探測(cè)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(gè)反射式紅外對(duì)管作為軌跡探測(cè)傳感器，安裝方式如圖3所示。 076543211+1圖37 軌跡探測(cè)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(cè)范圍的。但由于使用了8個(gè)傳感器，不同傳感器信號(hào)間的組合太多，使用一般窮舉辦法難以實(shí)現(xiàn)循跡控制，因此自己設(shè)計(jì)了一套循跡算法。如圖38，定義了物體循跡時(shí)運(yùn)動(dòng)的8個(gè)方向，圖中黑箭頭（1號(hào)方向上）表示物體當(dāng)前的循跡方向。循跡時(shí)，使用變量Direct表示當(dāng)前物體運(yùn)動(dòng)方向，物體每次運(yùn)動(dòng)時(shí)先按當(dāng)前方向向前步進(jìn)一段固定的距離，然后檢測(cè)采樣傳感器信號(hào)并調(diào)整Direct，再沿新的Direct方向步進(jìn)。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(shí)則Direct加1，需向右偏則減1，繼續(xù)前進(jìn)則保持不變。由于只有8個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，所以對(duì)Direct的運(yùn)算需在模8的范圍內(nèi)（0～7）進(jìn)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(gè)信號(hào)對(duì)Direct調(diào)整即可。如圖4中僅需根據(jù)7方向的信號(hào)對(duì)Direct調(diào)整。由于每個(gè)方向上177。1和保持不變的傳感器信號(hào)是一定的，故對(duì)8個(gè)方向上的調(diào)整策略用一個(gè)靜態(tài)數(shù)組的形式保存起來，調(diào)整時(shí)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(yùn)動(dòng)的調(diào)試時(shí)間，為整個(gè)作品成功的完成打下了基礎(chǔ)。當(dāng)每次步進(jìn)的距離較小時(shí)，若在Direct方向的前、左、右三處的傳感器同時(shí)發(fā)現(xiàn)是白紙，則表明傳感器探測(cè)到了曲線的間斷部分或盡頭，此時(shí)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(jìn)2～3步，保證循跡的正確停止。在取平均值時(shí)，需對(duì)7224。0和0224。7的轉(zhuǎn)變作特殊處理，否則可能出錯(cuò)。實(shí)踐證明，按照上面的辦法循跡迅速穩(wěn)定，并且不會(huì)受交叉線的影響。由于軌跡線有一定寬度，實(shí)際的軌跡不可能轉(zhuǎn)折得十分迅速，當(dāng)步進(jìn)距離較小時(shí)，甚至可以完成銳角的循跡。本系統(tǒng)使用的步進(jìn)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(diǎn)終點(diǎn)坐 標(biāo)按照事先設(shè)定運(yùn) 行設(shè)定圓心手動(dòng)到 點(diǎn)手動(dòng)到循跡起始 點(diǎn)執(zhí) 行 部 件返回顯示程序按鍵確認(rèn)，進(jìn)入對(duì)應(yīng)程序圖39