【正文】 的位移量折算成多圈電位器轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，通過(guò)單片機(jī) 邏輯 運(yùn)算確定物塊 位移 位置進(jìn)而控制電機(jī)拖動(dòng)物塊運(yùn)動(dòng)。 目前運(yùn)動(dòng)控制器從結(jié)構(gòu)上 大致 分 為 三大類： （ 1）基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器； （ 2） Soft 型開放式運(yùn)動(dòng)控制器，它 不僅 提供給用戶最大的靈活性，它的運(yùn)動(dòng)控制軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而 且 硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部 I/O 之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口； （ 3）嵌入式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制器，這 類 運(yùn)動(dòng)控制器是把計(jì)算機(jī)嵌入到運(yùn) 動(dòng)控制器中，能夠獨(dú)立運(yùn)行。 在本 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上還可拓展成基于三線懸掛結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制裝置。 在現(xiàn)代的日常生產(chǎn)、生活中，基于單片機(jī)的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用得到普及，涉及到了工廠生產(chǎn)線、航空航天和醫(yī)療設(shè)備等系統(tǒng)中。 系統(tǒng) 采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù) 來(lái) 控制電機(jī)驅(qū)動(dòng) L298N，來(lái) 實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向 、啟停等多種 運(yùn)行 狀態(tài)進(jìn) 行 準(zhǔn)確的控制。湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 基于單片機(jī)的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 摘要 在現(xiàn)代的日常生產(chǎn)、生活中，基于單片機(jī)的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用得到普及，涉及到了工廠生產(chǎn)線、航空航天和醫(yī)療設(shè)備等系統(tǒng)中。 系統(tǒng) 采用紅外光電傳感器 來(lái)實(shí)時(shí) 檢測(cè)電機(jī) 的 速度和畫板上 的 黑色曲線軌跡 ，從而通過(guò)反饋給單片機(jī)來(lái)來(lái)控制物體沿著曲線運(yùn)動(dòng)?；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。三線懸掛是指，將三根線系于一點(diǎn)并懸掛重物， 并 且三根纜線分別掛在三個(gè)固定滑輪上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三個(gè)繞線電機(jī)分別控制其長(zhǎng)度， 進(jìn) 而控制懸掛重物在三維空間中的位置。 國(guó)外 發(fā)展現(xiàn)狀 ： 懸掛 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要分支，在二十世紀(jì)九十年代，國(guó)際上的發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。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) 實(shí)現(xiàn) 。 系統(tǒng)方案論證 方案一：采用 FPGA 為 核心控制器 ， FPGA 的最大特點(diǎn)是靈活，可以實(shí)現(xiàn)任意數(shù)字電路， FPGA 運(yùn)行速度很快，可以把外部時(shí)鐘頻率和核心頻率達(dá)到幾百兆， FPGA的管腳較多，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)， FPGA 內(nèi)部程序并行運(yùn)行，能夠處理很復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，此外， FPGA 有大量軟核，可以方便進(jìn)行二次開發(fā)。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 系統(tǒng)整體框圖 電源部分方案論證 方案一：所有 元 器件都采用 統(tǒng) 一電源。步進(jìn)電機(jī)具有控 制 方法 簡(jiǎn)單、定位精確、無(wú)積累誤差等 特點(diǎn) 。 方案三：采用繼電器對(duì)電機(jī)的開關(guān) 狀態(tài) 進(jìn)行控制，通過(guò)開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行 控制 。由于電機(jī)的收線輪直徑 比 較小，將傳感器安在電機(jī)上 很 容易產(chǎn)生測(cè)量誤差， 故 將傳感器安在滑輪上可以減少收線引起的誤差。這種尋跡方法雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，并且成本低廉，在很多的尋跡場(chǎng)合都有使用，但是由于該系統(tǒng)尋跡距離較近，再加上擺放紅外反射傳感器時(shí)不能嚴(yán)格校準(zhǔn)和固定，在進(jìn)行調(diào)試時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾。 顯示及鍵盤模塊方案論證 顯示模塊方案論證 方案一： 采用數(shù)碼管顯示 。無(wú)線遙控鍵盤操作簡(jiǎn)單，人機(jī)交互時(shí)能夠在一定范圍內(nèi)易懂，不局限于系統(tǒng)硬件本身所在，比較人性化。 方案二：采用閉環(huán)控制 方式 。 系統(tǒng)總體框圖如圖 所示 圖 系統(tǒng)整體框圖 尋找黑線 的方法 ，采用模糊尋找的方 法 ，首先物體從（ 0， 8） 坐標(biāo)點(diǎn) 運(yùn)行到（ 80， 控制器 LED 顯示 44鍵盤 電機(jī) A電機(jī) B 尋跡部分 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電 源（ 12V） 單片機(jī)的供電電源（ 5V） 速度采集模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 8） 坐標(biāo)點(diǎn) ，檢測(cè)這之間有無(wú)黑線 。然后再調(diào)用連續(xù)段的尋 跡程序 重復(fù)檢測(cè) 。將電機(jī) 供電 電源（ 12V）和單片機(jī)的供電電源（ 5V）完全隔開，可以徹底消除 驅(qū)動(dòng) 電機(jī) 時(shí) 所造成的干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 POWER 接直流 供電 電源， 特別要 注意正負(fù)，電源正端為 VCC，電源地為 GND ]10[ 。 L298 的兩個(gè)控制端（ C、 D）的工作狀態(tài) 由表 列出（ Ven 為使能端）。 其目前已經(jīng)有很高的市場(chǎng)應(yīng)用 普及率 ]11[ 。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(wú)黑線 。 尋跡模塊電路 根據(jù) 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)任務(wù)，懸掛物體要沿著 指定 黑線運(yùn)行，采用反射式光電傳感器進(jìn)行 檢測(cè) 。當(dāng) 探 測(cè)到黑線時(shí)，接收管截止，同相輸入Ⅴ in 為高，比較器輸出為高電平。 采 用 MAX7219 對(duì) LED 數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 圖 設(shè)置鍵操作圖 如 圖 所示，表示了幾種方式的操作。 主控制器模塊設(shè)計(jì) AT89C52 介紹 AT89C52 是 51 系列單片機(jī)的 其中 一個(gè)型號(hào)，它是 ATMEL 公司生產(chǎn)的。 256x8bit 內(nèi)部 RAM 可編程 UART 串行通道 P1 口 P1 口是一組 8 位并行 I/O 口， P1 口是一組準(zhǔn)雙向口，準(zhǔn)雙向口是指 P1口用作輸入時(shí)， P1 口會(huì)被拉高，具備 4 個(gè) LSTTL 門電路的負(fù)載能力， P1口的每一位都是由輸入緩沖器、鎖存器和輸出驅(qū)動(dòng)器組成，這樣就能夠鎖存輸出信息，但不能鎖存輸入信息。 表 AT89C52P3 口引腳的第二功能 口線 第二功能 信號(hào)名稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 INT0 外部中斷 0 請(qǐng)求信號(hào)輸入 INT1 外部中斷 1 請(qǐng)求信號(hào)輸入 T0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0計(jì)數(shù)輸入 T1 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1計(jì)數(shù)輸入 WR 外部 RAM 寫選通 RD 外部 RAM 讀選通 RST 引腳 RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端口，高電平有效。 PSEN 端 PSEN 為片外程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。 AT89C52 封裝如圖 所示 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 AT89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容 C1 的大小 將會(huì) 直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一 通常 采用 10~30uF， 51 單片機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時(shí)間 就 越短。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 原理圖 如圖 所示 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 4 軟件部分設(shè)計(jì) 理論分析與計(jì)算 位移 /數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法 首先記錄 剛開始 A/D 轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)據(jù)， 再使 電機(jī) 1運(yùn)轉(zhuǎn) ，電機(jī) 2 停止 工作 ，使電機(jī)拖動(dòng) 物體 移位 100cm， 然后 記錄下 在 此期間所變化的 A/D 轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)， 這就是步進(jìn) 電機(jī) 拉動(dòng)載體位移 1mm 所需 要 的數(shù)據(jù) 。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 畫圓數(shù)學(xué)模型 本 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)要求懸掛物 的運(yùn)動(dòng)軌跡為 一個(gè)圓， 對(duì)于這個(gè)要求采用 微分曲線直線逼近 的方 法。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖 所示： 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 主程序流程圖 定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)子程序 單片機(jī) 通過(guò) I/O 的輸入功能的 從鍵盤讀入功能鍵和起始坐標(biāo)值（ X0， Y0）， 然后 將（ X0， Y0）帶入 算 式 和式 中計(jì)算出 a0 和 b0。當(dāng)偏離黑線時(shí)，傳感器狀態(tài)發(fā)生變化， 將 激活糾偏動(dòng)作。 本 論文所 研究的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 實(shí)際上是 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)接口技術(shù) 等。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)的最后一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 在這次設(shè)計(jì)中使我 和同學(xué)的關(guān)系跟進(jìn)一步 ，同學(xué)之間互相幫助， 互相解答疑問，又不懂的地方一起商量思考，不同的看法對(duì)于我理解本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有更全面的了解和認(rèn)識(shí) ， 因此，在這里我非常感謝幫助過(guò)我的 同學(xué)和老師。特別要感謝我的指導(dǎo)老師胡薔老師，她對(duì)我進(jìn)行了詳盡的指導(dǎo)和不厭其煩的幫助我解答我的問題，并且教導(dǎo)我不斷對(duì)論文進(jìn)行修改和完善。 本系統(tǒng) 是 以 AT89C52 來(lái)完成核心 控制。角進(jìn)行運(yùn)動(dòng)?？刂齐姍C(jī)進(jìn)行 運(yùn)轉(zhuǎn) 。 設(shè)所 要作 圓的圓心坐標(biāo)為（ x0,y0）半徑為固定的 25cm，（ x,y）為圓的任意一點(diǎn)，由此 得到 圓的方程為： (x*x0)2+(yy0)2=252 （ ） 若直接使用該方程來(lái)求圓上點(diǎn)的坐標(biāo)，算法 非常 復(fù)雜，采用圓的參數(shù)方程 比較簡(jiǎn)單 ： X=x0+25sint （ ） Y=y0+25cost （ ） (x0,y0)為圓心坐標(biāo) 這樣， 得到 圓的坐標(biāo)僅 僅 與參數(shù) t 有關(guān)， 從而 ，使角度 t 以某一設(shè)定的角度步長(zhǎng) v 累加，使 t=q*v 在周期 [t,t+2π ]內(nèi)變化，其中 q 為累加值。 故 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)值決定位移 ]23[ 。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 的 起振電容 C C3 一般采用 15~33pF。 EA 拉高，若 PC 只不超出 0FFFH，則單片機(jī)讀片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的程序；若 PC 值超出范圍，單片機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)向讀取片外程序存儲(chǔ)器的程序。 ALE/PROG 單片機(jī)訪問外部程序存儲(chǔ)器或者外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)候需要一個(gè)地址鎖存信號(hào)，這就需要 ALE 來(lái)提供，它能夠?qū)⒌?8 位的地址鎖存在片外的地址鎖存器內(nèi)。 P1 口是單片機(jī)唯一一個(gè)單功能口，只能用作通用的 I/O 口，與 P0 口不同的是，它的內(nèi)部接有上拉電 阻，故在搭建電路時(shí)可以省去外接電阻。 P0 口的每一位都是由輸入緩沖器、鎖存器和輸出驅(qū)動(dòng)器組 成，這樣就能夠鎖存輸出信息，但不能鎖存輸入信息。 全雙工 UART 串行通道 AT89C52 共 有 40個(gè)引腳， 包括 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O），同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口， 3 個(gè) 16位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口， 2個(gè)讀寫口線。 方式 2： 重物按照實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備好的軌跡運(yùn)行 。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 顯示部分電路 鍵盤模塊電路設(shè)計(jì) 根據(jù) 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 要 求，本 設(shè)計(jì) 中使用了標(biāo)準(zhǔn)的 4*4 鍵盤，其電路原理如圖 所示。 圖 尋跡電路 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 顯示模塊設(shè)計(jì) MAX7219 介紹 MAX7219 是 由 美國(guó) MAXIM 公司出品的新型緊湊型、可編程共陰極顯示 數(shù)碼管 驅(qū)動(dòng)器 ,可以用來(lái)把微處理機(jī)接口連到多達(dá)八位數(shù)字的七段數(shù)字 LED 顯示器 上 ,與傳統(tǒng)的 數(shù)碼管 驅(qū)動(dòng)相比 ,節(jié)省了芯片資源。接收部分的光敏二極管在不同的光照強(qiáng)度下，電阻值會(huì) 明顯 改變。若 檢測(cè)到黑線，再進(jìn)一步縮小范圍從（ 80， 10） 坐標(biāo)點(diǎn) 運(yùn)行到（ 80， 10） 坐標(biāo)點(diǎn) ， 直到 當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí) ， 停下，此處 作為 是黑線起點(diǎn) 。如圖 所示，速度采集 模塊 中使用多圈電位器即圖中W W2來(lái) 檢測(cè)，然后通過(guò) ADC0832 進(jìn)行 信號(hào) 轉(zhuǎn)換。D=L 正轉(zhuǎn) C=L。各點(diǎn)狀態(tài)如表 所示，線圈連線圖如圖 所示（以四相步進(jìn)電機(jī)為例）。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 電源部分電路 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì) L298N 芯片介紹 L298N 是專用 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于 H 橋集成電路，與 L293D 相比 其輸出電流增大，功率增強(qiáng)。 系統(tǒng)硬件電路連接及資源分配如圖 所示。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)。受外界干擾也能迅速 得到 矯正。此外成本較高，不值得采用。此外，數(shù)碼管 僅能顯示少數(shù)的幾個(gè)字符，顯示的內(nèi)容 很 少，基本上 不可能 顯示漢字。這種方案的缺點(diǎn)在于 周圍 環(huán)境的光源會(huì)對(duì)光敏二極管產(chǎn)生很大的干擾。通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)將線位移轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，再根據(jù)電阻與速度之間的關(guān)系 進(jìn)而 實(shí)現(xiàn) 電機(jī)速度的檢測(cè)。 根據(jù) 上述理論分析和實(shí)際情況， 故 定選擇方 案二。 控制器 LED 顯示 4 4鍵盤 電機(jī) A電機(jī) B 尋跡部分 執(zhí)行機(jī)構(gòu)