【文章內(nèi)容簡介】 。 22 自行設定運動測試 23 圓周運動測試 23 定點運動測試 23 循跡運動測試 24 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 24 結(jié)論 26 致謝 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 27 1 緒 論 現(xiàn)代的車輛運動、醫(yī)療設備和工業(yè)控制等系統(tǒng)中，懸掛運動系統(tǒng)的應用越來越多，在這些系統(tǒng)中懸掛運動部件通常是具體的執(zhí)行機構(gòu)，懸掛部件的運動精確性是整個系統(tǒng)工作效能的決定因素，因而實際實現(xiàn)懸掛運動控制系統(tǒng)的精確控制具有極其重大的現(xiàn)實意義。 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超 載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控 制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像 普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 MSP430 系列單片機是美國德州儀器 1996 年開始推向市場的一種 16 位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處 理器（ Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。 本系統(tǒng)采用低功耗 MSP430F1611 統(tǒng)平臺設計了懸掛運動控制系統(tǒng)，采用 L298驅(qū)動步進電機 ，提高電源利用率；紅外傳感檢測，提高糾錯能力。由單片機產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動有精確步距的步進電動機，電機帶動懸掛部件在平面上做特定的準確運動 。 通過完成基于 MSP430 單片機的懸掛系 統(tǒng)軟件的設計，將自動化專業(yè)相關(guān)的理論融會貫通，理解 MSP430 單片機、步進電機的運行原理，步進電機的啟動、控制方式，學會分析問題、解決問題，掌握系統(tǒng)工程設計的方法，為今后從事相關(guān)領(lǐng)域的研究及技能工作奠定良好的基礎。 2 1 方案的比較與論證 設計 任務 本課題要 設計一 電機控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜（仰角 ≤100 度）的板上運動。具體為 在一 白色底板上固定兩個滑輪，兩只電機（固定在板上）通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運動，運動范圍為 80cm100cm。物體的形狀不限， 但 質(zhì)量大于100 克。 在 物體 上固定有淺色畫筆，以便運動時能在板上畫出運動軌跡。板上標有間距為 1cm 的淺色坐標線（不同于畫筆顏色），左下角為直角坐標原點 , 示意圖如下 圖11 所示 。 圖 11 任務 示意圖 80cm100cm15cm 15cm15cm原點15cm 3 設計 要求 (1) 控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設定坐標點參數(shù)； 物體在 80100cm的范圍內(nèi) 可以 作自行設定的運動，運動軌跡長度不小于 100cm，物體在運動時能夠在板上畫出運動軌跡， 且必須要在 300 秒內(nèi)完成； 控制物體作圓心可任意設定、直徑為 50cm 的圓周運動， 且必須要在 300 秒內(nèi)完成； 物體從左下角坐標原點出發(fā)，在150 秒內(nèi)到達設定的一個坐標點 (兩點間直線距離不小于 40cm)。 (2) 能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標； 控制物體沿板上標出的任意曲線運動，曲線在測試時現(xiàn)場標出，線寬 ～ ，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)曲線運動限定在 200 秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運動限定在300 秒內(nèi)完成。 數(shù)學模型 本設計要求懸掛物能夠畫一個圓，采用微分曲線直線逼近法。首 先將圓周等分為n 份，將每小份弧線段等效為直線段畫出， n 越大，曲線就光滑。 設所畫圓的圓心坐標為 （ 0x , 0y ） 半徑為固定的 25cm， （ x ,y ） 為圓周上的任意一點，由此確定圓的方程為： 22020 25)( ???? yyxx ）（ （ 11） 若直接使用該方程來求圓上點 的坐標，算法比較復雜，采用了圓的參數(shù)方程： txx sin250 ?? （ 12） tyy cos250 ?? （ 13） 這樣，則圓的坐標僅與參數(shù) t 有關(guān)， 使角度 t 以某一設定的角度步長 v 累加，使t+q*v 在周期 [t,t+2π]內(nèi)變化，其中 q 為累加值。這樣就可以采樣到圓上均勻的點，顯然，角度步長 v 越小 ，在圓周上取得點越多，控制也會更精確 [1]。 4 系統(tǒng)方框圖 系統(tǒng)總方框圖如圖 12 所示 圖 12 系統(tǒng)總方 框圖 方案的論證與選擇 單片機的選擇與論證 系統(tǒng)的控制單元是整個系統(tǒng)的大腦，是整個系統(tǒng)運行的核心部件，起著控制系統(tǒng)所有運行狀態(tài)的作用。通常選用單片機作為系統(tǒng)的核心控制單元。根據(jù)題目的設計要求，本設計主要實現(xiàn)勾畫設定軌跡和對設定軌跡的搜尋功能，并能實時的顯示物體中畫筆所在位置坐標。 方案一： FPGA/CPLD 方式。 用 FPGA/CPLD 完 成鍵盤定義與識別、電機工作狀態(tài)選擇與切換、液晶電路的驅(qū)動與控制等功能。這種方案的優(yōu)點在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，而且可以使用的 I/O 口線很多；缺點是調(diào)試時需要接很多接線，過程繁瑣，而且使用 CPLD 時，由于其內(nèi)部沒有 ROM，對功能的實現(xiàn)有所限制。 方案二：單片機方式。 由單片機、電機驅(qū)動電路及電機等組成系統(tǒng)。使用單片機也可以完成鍵盤定義與識別、電機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最小系統(tǒng)電路板，減少了工作量。該控 制方式需要單片機具有較大的程序存儲量，所以可選擇的 F1611 單片機，有非常豐富的資源，大容量的 RAM 和 FLASH，可以存儲大容量的程序 [4]。 多圈 電位器 A/D 轉(zhuǎn)換 鍵盤 反射式 光電傳感器 控 制 器 顯示 驅(qū)動 電機 驅(qū)動 顯示 直 流 電 機 5 基于以上分析，擬選用方案二。 電機的選擇與論證 方案一 ： 采用普通直流電機 。 直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ,調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)不同的特殊運行要求。 方案二：采用步進電機 。 步進電機的一個顯著特點就是具有快速啟停能力，如果負載不超過步進電機所能提供的動態(tài) 轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進電機啟動或反轉(zhuǎn)。另一個顯著特點是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。基于以上分析，擬選擇方案二。 驅(qū)動電路的選擇與論證 方案一：采用電機驅(qū)動芯片 L298N 來驅(qū)動 。 L298N 芯片可以驅(qū)動兩個二相電機， 輸出電壓最高可達 50V，可以直接通過電 源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的 IO 口提供信號。 方案二：自制步進電機的驅(qū)動電路 。 通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別 進行放大，當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復雜。 基于以上分析，擬選擇方案一 。 顯示模塊的選擇與論證 方案一：采用 LED 數(shù)碼管顯示器。 LED 數(shù)碼管亮度高、醒目，但是其電路復雜，占用資源較多且信息量小。 方案二：采用 LED 液晶顯示器。 LCD 有明顯的優(yōu)勢：工作電流比 LED 小幾個數(shù)量級，故其功耗很低；尺寸小，厚度約為 LED 的 1/3；字跡清晰、美觀、使人感覺舒服；壽命長，使用方便。 針對本課 題，對信息量要求比較大，而對亮度的要求并不是很高，經(jīng)過仔細比較 ，我們決定采用方案二。 6 紅外探測器工作方式的選擇與論證 紅外探測器由于 發(fā)射功率大、抗干擾能力強而在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用。紅外探測器按其工作模式可大致分為主動式與被動式。主動式紅外探測器自帶紅外光源，通過對光源的遮擋、反射、折射等光學手段可以完成對被測物體位置的判別；被動式紅外探測器本身沒有光源，通過接受被探測物體的特征光譜輻射來測量被探測物的位置、溫度或進行紅外成像。 主動式紅外傳感器又可分為分立元件型、透射遮擋型和反射型。分立元件型發(fā)光管與接受管相互獨立，用戶在使用時可以 根據(jù)需要靈活的設定發(fā)光管與接受管的位置，并可利用棱鏡、透鏡等完成特殊的目的，其缺點是裝置麻煩；透射遮擋型和反射型通過塑料模具將發(fā)光管與接受管封裝在一起，非常方便用戶使用。反射式光電判讀器外型如圖 13 所示。