【正文】 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 致 謝 花費了將近半年的時間來完成基于單片機的懸掛運動控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，在設(shè)計制作過程中遇到了無數(shù)的問題和疑點，但是都在我同學(xué)和老師的幫助下一一解惑。本系統(tǒng) 是 以單片機為核心 控制器 ，由 步進 電機 、 驅(qū)動電路等 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)成的懸掛運動控制系統(tǒng) 。當(dāng)傳感器都回到黑線內(nèi)時， 控制物體 繼續(xù)沿 45176。再從鍵盤讀入終點坐標(biāo)數(shù) 值（ X1， Y1），將其帶入式 和式 中計算出 a1 和 b1， 從而得到 電機 1 和電機 2 的運轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)動位移 的大小 。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 光滑。所以 ，直接可將拉線的位移轉(zhuǎn)化為單片機檢測 A/D 轉(zhuǎn)換出來的數(shù)值。 單片機最小系統(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 對于 單片機的 運算 處理速度 起決定作用 ， 晶振的 頻率越 快，單片機的運算 處理速度 就 越快。 EA/VPP 端 EA 是外部程序存儲器訪問允 許控制端。若在單片機的時鐘振蕩器穩(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個及其周期，則單片機復(fù)位。因此所有從單片機外部器件輸入的信息必須能夠持續(xù)到單片機內(nèi)部取數(shù)指令執(zhí)行才可以被單片機讀取到。 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 LSTTL 門電路的負(fù)載能力。 3個 16 位可編程計數(shù)器 /定時 器 12???? ???? ???? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???????設(shè)鍵置鍵相方 式 鍵 3 確 認(rèn) 啟 動應(yīng)鍵 4參鍵 5數(shù)湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 AT89C52是一 款 低電壓，高性能 CMOS 8 位 微機處理器 ，片內(nèi) 包 含 有 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(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 存儲單元，功能強大的 AT89C52 單片機 能夠 提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合 ]17[ 。 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。其電路圖如 所示。 該模塊 中四個傳感器的 OUT 分別連接 、 、 、 。 發(fā)射部分采用紅外發(fā)射管，實現(xiàn)檢測信號的輸出。若 有，則從（ 0， 12） 坐標(biāo)點 運行到（ 80， 12）坐標(biāo)點 ， 再 檢測，如果沒有檢測到黑線，再進一步縮小范圍從（ 80， 14） 坐標(biāo)點 運行到（ 80， 14） 坐標(biāo)點。 電機速度采集電路 在 上述 方案論證中已經(jīng)確定本 系統(tǒng) 電機速度采集 采用 通過多圈電位器檢測轉(zhuǎn)速來得到電機的 運轉(zhuǎn) 速度。 表 L298N 控制表 輸入 功能 Ven=H C=H。 步進電機控制邏輯 電平 如下所示，其中 A、 B、 C、 D 為步進電機的四個線圈，為 1 表示有電流通過，為 0 表示沒有電流流過。 由于使用了 12V 電機，其額定工作電壓為 12V，而單片機額定工作電壓為 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 滿足電機驅(qū)動電流的要求，其電路如 圖 所示 ]9[ 。 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個光電傳感器與 、 、 、 相連，兩個電機的驅(qū)動分別由 、 、 和 、 、 控制。若沒有 ，則從（ 80， 16） 坐標(biāo)點 運行到（ 0， 16）坐標(biāo)點 ，再檢測這之間有無黑線 。這種 方案 能夠 實時 地反饋被控物體的坐標(biāo)及執(zhí)行機構(gòu)運行狀況，使 單片機 對其有較 準(zhǔn)確 地控制。但是考慮到本系統(tǒng)采用的單片機的內(nèi)存需求和運算能力，以及系統(tǒng)本身對算法的要求較高，運湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 算量大，若采用無線遙控鍵盤將是單片機的一大負(fù)擔(dān)，甚至運行過程出現(xiàn)程序“跑飛”等不正?，F(xiàn)象。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數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)進行鎖存，甚至還需要一些驅(qū)動等外圍器件，但是數(shù)碼管編程簡單易懂，并且具有較低的功耗 ，耐老化和精度高等 優(yōu)點。 方案二：使用發(fā)光二極管和光敏三極管組合 來探測黑線 。 方案三：采用多圈電位器式傳感器間接測量方式 來測量電機運轉(zhuǎn)速度 。這個方案的優(yōu)點是電路較簡單，實現(xiàn)容易；缺點是繼電器的響應(yīng)速度很 慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短。 基于上述比較， 考慮到懸掛運動控系統(tǒng)對精度的要求，故 這里我們采用 方案二 。這樣供電雖然比較簡單 方便 ，但是由于電動機啟動瞬間電流 較 大， 并 且給定脈沖信號驅(qū)動的電機電流波動 比 較大，會 行 成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾， 可能 對單片機系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾，缺點十分明顯。但是 FPGA 價格昂貴且難以熟練掌握。 這種算法 首先運算出圓周上各點，再調(diào)用定點運動子程序進行執(zhí)行。由于有強勁市場需求 的推動， 懸掛 運動控制技術(shù)發(fā)展 飛速 并且應(yīng)用 極為 廣泛 ]2[ 。其中原理和懸掛軌跡控制系統(tǒng) 有異曲同工之妙 。但是在實際的生產(chǎn)生活中提高基于單片機的懸掛運動控制系統(tǒng)的精確性具有相當(dāng)大的難度 ]1[ 。 關(guān)鍵詞： 單片機 。基于單片機的懸掛運動控制系統(tǒng)的重中之重就是懸掛部件的運動精確性，它在各個系統(tǒng)中起到?jīng)Q定性的作用。 本 設(shè)計采用 AT89C52 單片機作為核心 控制器來實現(xiàn)對物體運動軌跡的自動控制， 并且 通過多圈電位器 來 實現(xiàn)對 物體 位置的精確測量，并引入局部閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié) 反饋給單片機 對誤差進行修正 ，從而 達到對物體的控制和對坐標(biāo)點的準(zhǔn)確定位。而 剛開始 運動控制器在我國的應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)面很小，國內(nèi)也沒有廠商開發(fā)出通用的運動控制器產(chǎn)品。 故 在本次設(shè)計中，是以單 片機作為控制核心 器件 。運動控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是高速度、高精度，對于繁雜的高速實時多軸插、補 誤差補償 、 運動軌跡規(guī)劃 和更 加 復(fù)雜的運動學(xué) 、動力學(xué)計算 ，可以借助數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)進行處理，從而系統(tǒng)能夠更加開放，進而能夠參照不同用戶的不同應(yīng)用需求進行客制化重組，不僅滿住了客戶的需要，而且大大節(jié)省了時間和成本，提高了工作效率。本系統(tǒng)設(shè)計中以單片機為控制核心， 由直流電機、 驅(qū)動電路為執(zhí)行設(shè)備，結(jié)合電源模塊、 4*4 鍵盤及 LED 顯示屏 等 部分 構(gòu)成的懸掛運動控制系統(tǒng) 。物體上 必須 固定有淺色的畫筆，以便 物體 運動時能在板上 留下 運動軌跡。 根據(jù)以上分析 及實際考慮， 故 選擇方案三。直流電機具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級調(diào)速）、調(diào)速范圍寬、低速性能好（起動轉(zhuǎn)矩大、起動電流?。?、運行平穩(wěn)、噪音低等方面 ]3[ 。 使用 用單片機輸出 PWM信號 進而 控制 L298N使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀 態(tài)，通過程序調(diào)節(jié) 脈沖 占空比精確調(diào)整電機轉(zhuǎn)速 以及運行時間 。其檢測 方法 為：發(fā)射器和接受器相互對射安裝，發(fā)射器的光直接 面 對 面對 準(zhǔn)接受器，當(dāng)測物 遮 擋住光束時，傳感器輸 出 會 產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。 鑒于此種湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 情況 ，故 應(yīng)選擇 方案三 多圈電位器更 好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本設(shè)計的精度要求。同時紅外反射式一體化傳感器還具有以下優(yōu)點：尺寸小、質(zhì)量輕，便于安裝。 該 設(shè)計 不需要顯示漢字，且考慮到成本問題， 故 選擇方案一。 控制方式論證 方案一：采用開環(huán)控制 方式 。由單片機經(jīng)過 邏輯 運算， 從而 發(fā)出調(diào)整控指令。 在連續(xù)段尋跡時， 單片機 通過 識別 四個傳感器的 16 種組合狀態(tài)，使電機作出相應(yīng)的 正反轉(zhuǎn) 動作。 最大 輸出電流可達 到 1A，但是必須另加散熱片 ]8[ 。 L298N 使用說明： EN1 與 EN2 使能 為高電平時有效，這里的電平指的是 TTL 電平。原理圖如 所示。獨 立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制更加方便。采用 4 個光電一體化傳感器 TCRT5000 作為 探 測元件，其放置方式如圖 所示。當(dāng)軌跡為間斷線時，電機 帶動 傳感器在大角度方向內(nèi)位移，直到在某一方向檢測到新的黑線 的時候停 止。 光電傳感器的硬件設(shè)計如圖 所示。采用 6個 LED 管進行 X 軸 和 Y軸 坐標(biāo)顯示 。主要功能如圖 所示。 2468??????????????鍵 物 體 向 上 運 動鍵 物 體 向 左 運 動設(shè) 置 確 認(rèn)鍵 物 體 向 右 運 動鍵 物 體 向 下 運 動湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 圖 方式鍵操作圖 啟動鍵：用于所選運行方式的開始運行 的 控制鍵。 1000 次擦寫周期 共 8個中斷源 P0 口作為輸入口時，必須使的 VF1 截止。 P3 口 單片機中使用最靈活、功能最多的一組 8 位并行 I/O 口就是 P3 口， P3口的通用的輸入輸出功能與 P1 口類似，此外， 最重要的是 P3口的第二功能。如果需要，可將特殊功能寄存器的第 0位拉高，從而能夠禁止 ALE 的工作。采用內(nèi)部的振蕩器電路和時鐘發(fā)生器時， XTAL1 通過接入晶振和電容與 XTAL2相連構(gòu)成內(nèi)部時鐘方式。 單片機 設(shè)置為定時器模式時，加 1 計數(shù)器是對內(nèi)部機器周期計數(shù)（ 1 個機器周期等于 12 個振蕩周期， 即計數(shù)頻率為晶振頻率的湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 1/12）。設(shè)繩索位移 1mm， AD變化值為 p， 再 根據(jù) c， d 的絕對值來確定電位器 1，電位器 2所要變化的 數(shù) 值： 電位器 1 所 需要 分配的數(shù)值： m=|c|*p （ ） 電位器 2 所 需要 分配的數(shù)值： n=|d|*p （ ） 誤差補償 為了使 物體的 運動軌跡更加 的 平滑， 可 采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù) 來 控制直流電機驅(qū)動 L298N， 從而 實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)進行快速而準(zhǔn)確的控制，設(shè)電機 1所 需要 運行的線值為 n,電機 2 所 需要 運行的線值為 m，則輸出到電機 1和電機 2的定時器初值比例 將 為 n/m，這樣 就 可使電機 1 和電機 2 同時 同步到達目標(biāo)點。通過選擇和比較， 采用匯編語言與 C 語言交叉使用 效果最后 ，為 了 達到題目 所 要求的控制精度和響應(yīng)時間，針對各項功能 所 設(shè)計相應(yīng)的巧妙算法，采用了匯編語言與 C語言交叉使用 從而來完成系統(tǒng)的各項功能 。 畫圓程序流程圖如圖 所示。方向移動 偏離黑線？ 計數(shù)器加 1 累計加到 50 調(diào)用定點子程序 返回 初始化 偏離黑線？ Y N 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 5 總結(jié) 本片 論文詳盡 闡述 了 基于單片機的懸掛運動控制 系統(tǒng)的 各個模塊的 方案選擇及設(shè)計、硬件電路 的 設(shè)計 和 運動軌跡控制算法的論證與選擇。 由于沒有器材 和設(shè)備 ，所以 沒能 完成 該系統(tǒng)的 實物制作。本 論文 引用了數(shù)位學(xué)者 老師的 研究文獻 資料。在 系統(tǒng) 設(shè)計過程中， 考慮到成本問題便 力求硬件電路簡單 使用 ， 同 時充分發(fā)揮軟件設(shè)計的優(yōu)勢，編程靈活方便 進而 來滿足系統(tǒng) 設(shè)計 的要求。 尋跡流程圖如圖 所示。 Y Y 開始 初始化 按鍵 按下 N 設(shè)置 方式 設(shè)置確 認(rèn)否 N 返回 定點運動 自設(shè)運動 歸位 畫圓 歸位 尋跡湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 圖 定點運動子程序流程圖 畫 圓子程序 對于 圓周運動，采用 微分曲線直線逼近法 的方 法來完成 。很 顯然，角度步長 v 越小，在圓周上取得點 就 越多，控制也 就 會更 加精 確。 制 作輔助線 BC， 會 得到兩個三角形⊿ ABE 和⊿ CDE。 P0 口為 三臺雙向口 ，作為輸出口時 必須要 加上拉電阻，阻值為 10k 左右 。 Vpp 為第二功能，在對片內(nèi) Flash 進行編程時， Vpp 需要接入編程電壓 XTAL1 端和 XTAL2 端 在單片機內(nèi)部， XTAL1 通過一個高增益反相放大器與 XTAL2 相連，其中 XTAL1是輸入端， XTAL2 是輸出端。但是特別注意的是：每當(dāng)單片機訪問外部 RAM（也就是執(zhí)行 MOVX 類指令）的時候，會丟失一個 ALE 脈沖信號。 P2 口 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 P2 口的通用 I/O 口工作方式與 P1 口相同，同時外部也不