【正文】 ment of objects along a curve. KEY WORDS:singlechip。 本 設(shè)計(jì)采用 AT89C52 單片機(jī)作為核心 控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)控制， 并且 通過多圈電位器 來 實(shí)現(xiàn)對(duì) 物體 位置的精確測(cè)量，并引入局部閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié) 反饋給單片機(jī) 對(duì)誤差進(jìn)行修正 ，從而 達(dá)到對(duì)物體的控制和對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。但是在實(shí)際的生產(chǎn)生活中提高基于單片機(jī)的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精確性具有相當(dāng)大的難度。基于單片機(jī)的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的重中之重就是懸掛部件的運(yùn)動(dòng)精確性，它在各個(gè)系統(tǒng)中起到?jīng)Q定性的作用。 基于單片機(jī)的 懸掛 運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng) 本質(zhì)上 是一電機(jī)控制系統(tǒng)， 通過電機(jī) 控制物體在 80cm*100cm 的范圍內(nèi)作直線、圓、尋跡 和任意指定曲線 等運(yùn)動(dòng)，并且 能夠 在運(yùn)動(dòng) 的 時(shí) 候 顯示運(yùn)動(dòng)物體的 位置 坐標(biāo)。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 。自二十世紀(jì)八十年代初期 至今 ，運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)開始在國(guó) 內(nèi)外多個(gè)行業(yè)應(yīng)用，尤其是在微電子行業(yè)的應(yīng)用。但是在實(shí)際的生產(chǎn)生活中提高基于單片機(jī)的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精確性具有相當(dāng)大的難度 ]1[ 。 所以 本 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)中， FPGA 的高速處理能力得不到充分發(fā)揮。其中原理和懸掛軌跡控制系統(tǒng) 有異曲同工之妙 。 現(xiàn)在的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的主導(dǎo)的核心控制器是建立于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的嵌入式結(jié)構(gòu)和開放式結(jié)構(gòu)的通用運(yùn)動(dòng)控制器。由于有強(qiáng)勁市場(chǎng)需求 的推動(dòng)， 懸掛 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展 飛速 并且應(yīng)用 極為 廣泛 ]2[ 。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 論文研究的主要內(nèi)容 本 文設(shè)計(jì) 的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一 種 電機(jī)控制系統(tǒng) , 集成了電子技術(shù)、電機(jī)拖 動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 和單片機(jī)技術(shù) 等。 這種算法 首先運(yùn)算出圓周上各點(diǎn)，再調(diào)用定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)子程序進(jìn)行執(zhí)行。 在一 個(gè)貼著白紙的 底板上固定兩個(gè)滑輪，兩 個(gè) 電機(jī)（固定在板 的下方兩端 ）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 大致 為 80cm*100cm，物體形狀不限。但是 FPGA 價(jià)格昂貴且難以熟練掌握。 單片機(jī)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，成本相對(duì)較低，并且單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，容易理解掌握工作原理，進(jìn)而編程簡(jiǎn)單易懂，適合學(xué)生設(shè)計(jì)使用。這樣供電雖然比較簡(jiǎn)單 方便 ，但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流 較 大， 并 且給定脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)電流波動(dòng) 比 較大，會(huì) 行 成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾， 可能 對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾，缺點(diǎn)十分明顯。 電機(jī) 方案選擇論證 方案一：采用直流電機(jī) 控制繩子的長(zhǎng)度 。 基于上述比較， 考慮到懸掛運(yùn)動(dòng)控系統(tǒng)對(duì)精度的要求，故 這里我們采用 方案二 。 方案二：采用內(nèi)集成有達(dá)林頓管組成的 H 型的功率變換橋電路的 L298N 驅(qū)動(dòng)芯片 。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易；缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)速度很 慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短。 方案二：采用對(duì)射式光電傳感器 進(jìn)行電機(jī)速度檢測(cè) 。 方案三：采用多圈電位器式傳感器間接測(cè)量方式 來測(cè)量電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度 。 但是 方案一和方案二的精度都會(huì)有一定限制 ， 要達(dá)到本 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的要求會(huì)給制作帶來 很大 難度 。 方案二：使用發(fā)光二極管和光敏三極管組合 來探測(cè)黑線 。此外， 由于紅外光波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)，因此受 周圍 可見光的影響較小。雖然數(shù)碼管顯示電路連接比較復(fù)雜并且需要另加鎖存器對(duì)數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，甚至還需要一些驅(qū)動(dòng)等外圍器件，但是數(shù)碼管編程簡(jiǎn)單易懂，并且具有較低的功耗 ，耐老化和精度高等 優(yōu)點(diǎn)。 此外， LCD 與單片機(jī)能夠 直接相連，電路設(shè)計(jì)及連接簡(jiǎn)單 ]6[ 。但是考慮到本系統(tǒng)采用的單片機(jī)的內(nèi)存需求和運(yùn)算能力，以及系統(tǒng)本身對(duì)算法的要求較高，運(yùn)湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 算量大，若采用無線遙控鍵盤將是單片機(jī)的一大負(fù)擔(dān)，甚至運(yùn)行過程出現(xiàn)程序“跑飛”等不正常現(xiàn)象。 根據(jù)以上論述， 故 采用方案二，在系統(tǒng)中使用 4*4 鍵盤。這種 方案 能夠 實(shí)時(shí) 地反饋被控物體的坐標(biāo)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況，使 單片機(jī) 對(duì)其有較 準(zhǔn)確 地控制。由尋跡 模塊 來檢測(cè)被控物體 的 運(yùn)動(dòng)軌跡 于板上的偏差，反饋 到單片機(jī) 控制器。若沒有 ，則從（ 80， 16） 坐標(biāo)點(diǎn) 運(yùn)行到（ 0， 16）坐標(biāo)點(diǎn) ，再檢測(cè)這之間有無黑線 。以同樣的運(yùn)行檢測(cè)方 法 即可找出黑線的起點(diǎn)。 AT89C52 的 P0 口與 4*4 鍵盤相連， 、 、 控制 A/Dz 轉(zhuǎn)換， 、 控制顯示模塊 4個(gè)光電傳感器與 、 、 、 相連，兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)分別由 、 、 和 、 、 控制。 集成電路內(nèi)部不僅含有 過流、過熱 保護(hù)電路，而且還有調(diào)整管保護(hù)電路以及 過載保護(hù)電路 ，使用時(shí)可靠方便，并且價(jià)格低廉 。 由于使用了 12V 電機(jī)，其額定工作電壓為 12V，而單片機(jī)額定工作電壓為 5V，所以 供電 電路中采用了 7805 和 7812 作為穩(wěn)壓模塊，其最大輸出電流為 ， 完全 滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的要求，其電路如 圖 所示 ]9[ 。 此外， 本模塊 還 具有體積小，控制方便的特點(diǎn)。 步進(jìn)電機(jī)控制邏輯 電平 如下所示，其中 A、 B、 C、 D 為步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)線圈，為 1 表示有電流通過，為 0 表示沒有電流流過。將單片機(jī) 內(nèi)部 產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)經(jīng)光電隔離器湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 耦合后， 通過 控制 L298 驅(qū)動(dòng)芯片來 進(jìn)而 控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、制動(dòng)。 表 L298N 控制表 輸入 功能 Ven=H C=H。在ADC0832 內(nèi)部參考電壓和電源輸入復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5v 之間，ADC0832 轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32us，具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性強(qiáng)。 電機(jī)速度采集電路 在 上述 方案論證中已經(jīng)確定本 系統(tǒng) 電機(jī)速度采集 采用 通過多圈電位器檢測(cè)轉(zhuǎn)速來得到電機(jī)的 運(yùn)轉(zhuǎn) 速度。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 電機(jī)速度采集系統(tǒng) 尋跡部分電路設(shè)計(jì) 尋軌跡控制 方法 根據(jù) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的要求，懸掛 的重 物沿曲線運(yùn)動(dòng)的軌跡分為兩 種 ，連續(xù)段和間斷段。若 有，則從（ 0， 12） 坐標(biāo)點(diǎn) 運(yùn)行到（ 80， 12）坐標(biāo)點(diǎn) ， 再 檢測(cè)，如果沒有檢測(cè)到黑線，再進(jìn)一步縮小范圍從（ 80， 14） 坐標(biāo)點(diǎn) 運(yùn)行到（ 80， 14） 坐標(biāo)點(diǎn)。 在連續(xù)段尋跡時(shí)， 單片機(jī) 通過 識(shí)別 四個(gè)傳感器的 16 種組合狀態(tài)，使電機(jī)作出相應(yīng)的 正反轉(zhuǎn) 動(dòng)作。 發(fā)射部分采用紅外發(fā)射管，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的輸出。因?yàn)?是采用四個(gè)方向的同時(shí)檢測(cè)， 所以 單片機(jī)的判斷能力明顯提高， 大大 縮短了檢測(cè)判斷時(shí)間，同時(shí)也增強(qiáng)了糾錯(cuò)能力。 該模塊 中四個(gè)傳感器的 OUT 分別連接 、 、 、 。 MAX7219 引腳說明 DIN 串行數(shù)據(jù)輸入 端 DIG0～ 7 8 位 LED 為選線，從共陰極 LED 中吸入電流 LOAD 裝載數(shù)據(jù)輸入 端 CLK 串行 時(shí)鐘輸入端 SEGA～ G、 DP 7 段驅(qū)動(dòng)器和小數(shù)點(diǎn) 驅(qū)動(dòng) ,供給顯示器源電流 ISET 通過一個(gè) 10K 電阻和 Vcc 相連，設(shè)置段電流 DOUT 串行數(shù)據(jù)輸 出端 顯示模塊電路 顯示 模塊 電路由 MAX721數(shù)碼管組成。其電路圖如 所示。 在本系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 中， S1～ S S5～ S S9～ S1 S13 設(shè) 為數(shù)字鍵， S S S1S14～ S16 設(shè) 為功能鍵， S S S S10 設(shè) 為雙功能鍵。 方式鍵：先 按下方式鍵， 接著 按數(shù)字鍵選擇方式再確認(rèn)，方式有以下幾種： 方式 1：歸位，讓 重物回歸到 原點(diǎn)。 方式 5：尋跡， 懸掛物首先自行找到黑線的任一起點(diǎn)，接著按下啟動(dòng)就可讓系統(tǒng)尋跡 。 AT89C52是一 款 低電壓，高性能 CMOS 8 位 微機(jī)處理器 ，片內(nèi) 包 含 有 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn) 制造 ，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi) 有通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī) 能夠 提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合 ]17[ 。 8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器 3個(gè) 16 位可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí) 器 12???? ???? ???? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???????設(shè)鍵置鍵相方 式 鍵 3 確 認(rèn) 啟 動(dòng)應(yīng)鍵 4參鍵 5數(shù)湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 3個(gè)加密程序存儲(chǔ)器 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 ]18[ 主要管腳 介紹 ： P0 口 P0 口是一組 8 位并行 I/O 口，為三態(tài)雙相口，具有 8 個(gè) LSTTL 門電路的負(fù)載能力。 P0 作為輸出口用時(shí)， 由于輸出端處于開漏狀態(tài)，所以 P0 口必須在每一位外加上拉電阻 。因此所有從單片機(jī)外部器件輸入的信息必須能夠持續(xù)到單片機(jī)內(nèi)部取數(shù)指令執(zhí)行才可以被單片機(jī)讀取到。此外，當(dāng)系統(tǒng)需要在單片機(jī)外部擴(kuò)展時(shí)， P2 口可以作為地址總線的高 8 位，這樣就能夠和 P0口的低 8 位地址總線合成 16 位的 I/O 地址 ]20[ 。若在單片機(jī)的時(shí)鐘振蕩器穩(wěn)定工作的前提下， RST 引腳的電平狀態(tài)有低拉高切保持 2個(gè)及其周期，則單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī) 對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程 的過程中 ，編程脈沖（ PROG） 可有 ALE 來提供 。 EA/VPP 端 EA 是外部程序存儲(chǔ)器訪問允 許控制端。 單片機(jī)采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，外部振蕩器的輸出信號(hào)與 XTAL1 相連接， XTAL2懸空。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 上午 晶振 Y1 可以 采用 6MHz 或 ， 一般 情況下可以采用更高頻率的晶振， 晶體振蕩器的 的頻率 對(duì)于 單片機(jī)的 運(yùn)算 處理速度 起決定作用 ， 晶振的 頻率越 快，單片機(jī)的運(yùn)算 處理速度 就 越快。其他接口內(nèi)部 包含 有上拉電阻，作為輸出口時(shí)不需外加上拉電阻。所以 ，直接可將拉線的位移轉(zhuǎn)化為單片機(jī)檢測(cè) A/D 轉(zhuǎn)換出來的數(shù)值。根據(jù) 勾股定理 得： a02=(x0+15)2+(115y0)2 （ ） b02=(95x0)2+(115y0)2 （ ） 同理 得到 F點(diǎn)， 兩根繩的拉 線長(zhǎng)度 分別為： a12=(x1+15)2+(115y1)2 （ ） b12=(95x1)2+(115y1)2 （ ） 由上得到： 當(dāng) 懸掛物體 從 E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到 F點(diǎn) 期間 ： 電機(jī) 1 的 需要 收 起或者 放 出的 線 的 長(zhǎng)度為 c（當(dāng) c0，電機(jī)正轉(zhuǎn)； c0 時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)） c=a0a1 （ ） 電機(jī) 2 的 需要 收 起或者 放 出的 線 的 長(zhǎng)度為 d（當(dāng) d0，電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng) d0 時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)） d=b0b1 （ ） 根據(jù) c， d 的正負(fù) 就可以 確定電機(jī) 1 和 電機(jī) 2 的 的 轉(zhuǎn)向。先 把事先要作的 圓 的圓 周等分為 M等 份， 然后 將 圓周的 每 一 小 段 弧線的兩端用 直線 連起 ， M 的值 越大，曲線就 會(huì) 光滑。 程序流程圖 主流程圖 單片機(jī)開發(fā) 設(shè)計(jì) 中除 了 必要的硬件外，軟件 編程是必不可少的 。再?gòu)逆I盤讀入終點(diǎn)坐標(biāo)數(shù) 值（ X1， Y1），將其帶入式 和式 中計(jì)算出 a1 和 b1， 從而得到 電機(jī) 1 和電機(jī) 2 的運(yùn)轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)位移 的大小 。首先通過式 和 運(yùn)算出圓周上各點(diǎn) 的坐標(biāo) ，再 通過 調(diào)用定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)子程序進(jìn)行執(zhí)行。當(dāng)傳感器都回到黑線內(nèi)時(shí)， 控制物體 繼續(xù)沿 45176。 圖 尋跡示意圖 Y 開始 計(jì)算圓上的點(diǎn) 調(diào)用定點(diǎn)子程序 畫完否 返回 N 傳感器 2 傳感器 3 傳感器 4 傳感器 1 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 圖 尋跡子程序流程圖 N N Y Y 開始 糾偏，使傳感器回到黑線內(nèi) 沿 45176。本系統(tǒng) 是 以單片機(jī)為核心 控制器 ，由 步進(jìn) 電機(jī) 、 驅(qū)動(dòng)電路等 組成 執(zhí)行設(shè)備，結(jié)合電源模塊、 4*4 鍵盤及 LED 顯示屏 等模塊 構(gòu)成的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 。 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 還可 以 利用上位機(jī)軟件（例如組態(tài)王軟件） 來 進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬顯示和控制 。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 致 謝 花費(fèi)了將近半年的時(shí)間來完成基于單片機(jī)的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)制作過程中遇到了無數(shù)的問題和疑點(diǎn)，但是都在我同學(xué)和老師的幫助下一一解惑。 感謝我的同學(xué) 、老師 和朋友，在我寫論文的過程中給予了很多 論