【正文】 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(lái)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(guò)程中遇到了無(wú)數(shù)的問(wèn)題和疑點(diǎn)，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(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) 。當(dāng)傳感器都回到黑線內(nèi)時(shí)， 控制物體 繼續(xù)沿 45176。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 。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。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(lái)的數(shù)值。 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。 EA/VPP 端 EA 是外部程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允 許控制端。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。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。 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。 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 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[ 。 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)。其電路圖如 所示。 該模塊 中四個(gè)傳感器的 OUT 分別連接 、 、 、 。 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。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(méi)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)。 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(guò)多圈電位器檢測(cè)轉(zhuǎn)速來(lái)得到電機(jī)的 運(yùn)轉(zhuǎn) 速度。 表 L298N 控制表 輸入 功能 Ven=H C=H。 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(guò)，為 0 表示沒(méi)有電流流過(guò)。 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[ 。 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。若沒(méi)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(wú)黑線 。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。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(wú)線遙控鍵盤將是單片機(jī)的一大負(fù)擔(dān)，甚至運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)程序“跑飛”等不正常現(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(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)。 方案二：使用發(fā)光二極管和光敏三極管組合 來(lái)探測(cè)黑線 。 方案三：采用多圈電位器式傳感器間接測(cè)量方式 來(lái)測(cè)量電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度 。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。 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 。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。但是 FPGA 價(jià)格昂貴且難以熟練掌握。 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。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[ 。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(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[ 。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) ?；趩纹瑱C(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。 本 設(shè)計(jì)采用 AT89C52 單片機(jī)作為核心 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)控制， 并且 通過(guò)多圈電位器 來(lái) 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。而 剛開(kāi)始 運(yùn)動(dòng)控制器在我國(guó)的應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)面很小，國(guó)內(nèi)也沒(méi)有廠商開(kāi)發(fā)出通用的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。 故 在本次設(shè)計(jì)中，是以單 片機(jī)作為控制核心 器件 。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是高速度、高精度，對(duì)于繁雜的高速實(shí)時(shí)多軸插、補(bǔ) 誤差補(bǔ)償 、 運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃 和更 加 復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué) 、動(dòng)力學(xué)計(jì)算 ，可以借助數(shù)字信號(hào)處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列技術(shù)進(jìn)行處理，從而系統(tǒng)能夠更加開(kāi)放，進(jìn)而能夠參照不同用戶的不同應(yīng)用需求進(jìn)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(shí)間和成本，提高了工作效率。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中以單片機(jī)為控制核心， 由直流電機(jī)、 驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 。物體上 必須 固定有淺色的畫筆，以便 物體 運(yùn)動(dòng)時(shí)能在板上 留下 運(yùn)動(dòng)軌跡。 根據(jù)以上分析 及實(shí)際考慮， 故 選擇方案三。直流電機(jī)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(wú)級(jí)調(diào)速）、調(diào)速范圍寬、低速性能好（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小）、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等方面 ]3[ 。 使用 用單片機(jī)輸出 PWM信號(hào) 進(jìn)而 控制 L298N使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀 態(tài)，通過(guò)程序調(diào)節(jié) 脈沖 占空比精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速 以及運(yùn)行時(shí)間 。其檢測(cè) 方法 為：發(fā)射器和接受器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接 面 對(duì) 面對(duì) 準(zhǔn)接受器，當(dāng)測(cè)物 遮 擋住光束時(shí)，傳感器輸 出 會(huì) 產(chǎn)生變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。 鑒于此種湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)的精度要求。同時(shí)紅外反射式一體化傳感器還具有以下優(yōu)點(diǎn)：尺寸小、質(zhì)量輕，便于安裝。 該 設(shè)計(jì) 不需要顯示漢字，且考慮到成本問(wèn)題， 故 選擇方案一。 控制方式論證 方案一：采用開(kāi)環(huán)控制 方式 。由單片機(jī)經(jīng)過(guò) 邏輯 運(yùn)算， 從而 發(fā)出調(diào)整控指令。 在連續(xù)段尋跡時(shí)， 單片機(jī) 通過(guò) 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。 最大 輸出電流可達(dá) 到 1A，但是必須另加散熱片 ]8[ 。 L298N 使用說(shuō)明： EN1 與 EN2 使能 為高電平時(shí)有效，這里的電平指的是 TTL 電平。原理圖如 所示。獨(dú) 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(gè)光電一體化傳感器 TCRT5000 作為 探 測(cè)元件，其放置方式如圖 所示。當(dāng)軌跡為間斷線時(shí)，電機(jī) 帶動(dòng) 傳感器在大角度方向內(nèi)位移，直到在某一方向檢測(cè)到新的黑線 的時(shí)候停 止。 光電傳感器的硬件設(shè)計(jì)如圖 所示。采用 6個(gè) LED 管進(jìn)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(yùn) 動(dòng)鍵 物 體 向 左 運(yùn) 動(dòng)設(shè) 置 確 認(rèn)鍵 物 體 向 右 運(yùn) 動(dòng)鍵 物 體 向 下 運(yùn) 動(dòng)湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 方式鍵操作圖 啟動(dòng)鍵：用于所選運(yùn)行方式的開(kāi)始運(yùn)行 的 控制鍵。 1000 次擦寫周期 共 8個(gè)中斷源 P0 口作為輸入口時(shí)，必須使的 VF1 截止。 P3 口 單片機(jī)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(shí)鐘發(fā)生器時(shí)， XTAL1 通過(guò)接入晶振和電容與 XTAL2相連構(gòu)成內(nèi)部時(shí)鐘方式。 單片機(jī) 設(shè)置為定時(shí)器模式時(shí)，加 1 計(jì)數(shù)器是對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)（ 1 個(gè)機(jī)器周期等于 12 個(gè)振蕩周期， 即計(jì)數(shù)頻率為晶振頻率的湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(duì)值來(lái)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(bǔ)償 為了使 物體的 運(yùn)動(dòng)軌跡更加 的 平滑， 可 采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù) 來(lái) 控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) L298N， 從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的控制，設(shè)電機(jī) 1所 需要 運(yùn)行的線值為 n,電機(jī) 2 所 需要 運(yùn)行的線值為 m，則輸出到電機(jī) 1和電機(jī) 2的定時(shí)器初值比例 將 為 n/m，這樣 就 可使電機(jī) 1 和電機(jī) 2 同時(shí) 同步到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。通過(guò)選擇和比較， 采用匯編語(yǔ)言與 C 語(yǔ)言交叉使用 效果最后 ，為 了 達(dá)到題目 所 要求的控制精度和響應(yīng)時(shí)間，針對(duì)各項(xiàng)功能 所 設(shè)計(jì)相應(yīng)的巧妙算法，采用了匯編語(yǔ)言與 C語(yǔ)言交叉使用 從而來(lái)完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能 。 畫圓程序流程圖如圖 所示。方向移動(dòng) 偏離黑線？ 計(jì)數(shù)器加 1 累計(jì)加到 50 調(diào)用定點(diǎn)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(jì)（論文） 35 5 總結(jié) 本片 論文詳盡 闡述 了 基于單片機(jī)的懸掛運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)的 各個(gè)模塊的 方案選擇及設(shè)計(jì)、硬件電路 的 設(shè)計(jì) 和 運(yùn)動(dòng)軌跡控制算法的論證與選擇。 由于沒(méi)有器材 和設(shè)備 ，所以 沒(méi)能 完成 該系統(tǒng)的 實(shí)物制作。本 論文 引用了數(shù)位學(xué)者 老師的 研究文獻(xiàn) 資料。在 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)過(guò)程中， 考慮到成本問(wèn)題便 力求硬件電路簡(jiǎn)單 使用 ， 同 時(shí)充分發(fā)揮軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，編程靈活方便 進(jìn)而 來(lái)滿足系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 的要求。 尋跡流程圖如圖 所示。 Y Y 開(kāi)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(diǎn)運(yùn)動(dòng) 自設(shè)運(yùn)動(dòng) 歸位 畫圓 歸位 尋跡湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 圖 定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)子程序流程圖 畫 圓子程序 對(duì)于 圓周運(yùn)動(dòng)，采用 微分曲線直線逼近法 的方 法來(lái)完成 。很 顯然，角度步長(zhǎng) v 越小，在圓周上取得點(diǎn) 就 越多，控制也 就 會(huì)更 加精 確。 制 作輔助線 BC， 會(huì) 得到兩個(gè)三角形⊿ ABE 和⊿ CDE。 P0 口為 三臺(tái)雙向口 ，作為輸出口時(shí) 必須要 加上拉電阻，阻值為 10k 左右 。 Vpp 為第二功能，在對(duì)片內(nèi) Flash 進(jìn)行編程時(shí)， Vpp 需要接入編程電壓 XTAL1 端和 XTAL2 端 在單片機(jī)內(nèi)部， XTAL1 通過(guò)一個(gè)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(jī)訪問(wèn)外部 RAM（也就是執(zhí)行 MOVX 類指令）的時(shí)候，會(huì)丟失一個(gè) ALE 脈沖信號(hào)。 P2 口 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 P2 口的通用 I/O 口工作方式與 P1 口相同，同時(shí)外部也不