【導(dǎo)讀】設(shè)計，使系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)滿足課題要求。其核心部分是控制芯片單片機(jī)，由于。中得到廣泛的應(yīng)用。懸掛軌跡控制系統(tǒng)是一套電機(jī)控制系統(tǒng)，控制物體在。本設(shè)計采用MSP430F1611單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過多圈電位器實現(xiàn)對。體的控制和對坐標(biāo)點的準(zhǔn)確定位?？刂菩盘柦?jīng)過L298驅(qū)動電路來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，完。度、方向以及運(yùn)動時間的控制。

　　

【正文】 )函數(shù)是程序的核心部分，通過它可以實現(xiàn)畫指定圖形、畫圓、到達(dá)任意指定點等高級功能。 步進(jìn)電機(jī)控制程序的設(shè)計思想 我們設(shè)計了一個正解和一個反解的函數(shù)來實現(xiàn)物體要到達(dá)的坐標(biāo) （ X,Y） 與兩電機(jī)要移 動的長度 (Δl1,Δl2)之間的換算。由于步進(jìn)電機(jī)的步距角是 度，也就是說要 14 對步進(jìn)電機(jī)施加 200 個脈沖步進(jìn)電機(jī)才能轉(zhuǎn)一周。 我們還制作了一個直徑 d 為 1 厘米的繞線輪。設(shè)單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號數(shù)為 n,電機(jī)移動長度差為 Δl,則有： 200nπd=Δl （ 29） 這樣就實現(xiàn)了位移信息與單片機(jī)輸出信號的聯(lián)系，單片機(jī)就可以穩(wěn)定且準(zhǔn)確地控制物體 [6]。 菜單程序的設(shè)計 我們僅利用六個鍵就實現(xiàn)了對 這個復(fù)雜系統(tǒng)的自動控制，這是因為我們設(shè)置了豐富的模式，具體模式如表 21 所示： 表 21 菜單鍵模式 Mode=1 按 Enter：執(zhí)行 Fun1 Mode=2 按 Enter：畫圓 Mode=3 按 Enter：到達(dá)鎖定點 Mode=4 左電機(jī)微調(diào) Mode=5 右電機(jī)微調(diào) Mode=6 圓心 x 調(diào)節(jié) Mode=7 圓心 y 調(diào)節(jié) Mode=8 dst_x 調(diào)節(jié) Mode=9 dst_y 調(diào)節(jié) 誤差補(bǔ)償 為了使運(yùn)動軌跡更加平滑，采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制直流電機(jī)驅(qū)動芯片 L298，以實 現(xiàn)對電機(jī)的轉(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 所運(yùn)行的線值為 n,電機(jī) 2 所運(yùn)行的線值為 m，則輸出到電機(jī) 1 和電機(jī) 2 的定時器初值比例為 n/m，這樣可使電機(jī) 1 和電機(jī) 2 同步到達(dá)目標(biāo)點。在點到點運(yùn)行中，假設(shè)電機(jī) 2 的定時器初值為 t，則電機(jī) 1 的定時器初始為 n/m*t，該算法可能會造成電機(jī)所運(yùn)行的路徑為一條曲線，可以讓單片機(jī)不斷計算當(dāng)前點到目標(biāo)點的距離，不斷改變定時器初值，也可以將直線分成幾個線段來運(yùn)行，使得所運(yùn)行軌跡精度更高，直線更平滑 [8]。 15 程序流程 主 程序流程圖 本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用 匯編語言與 C 語言交叉使用，為達(dá)到題目要求的控制精度和響應(yīng)時間，針對各項功能設(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。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖 22 所示： 圖 22 主程序流程圖 定點運(yùn)動子程序 鍵盤讀入功能鍵和起始坐標(biāo)值 （ 0x , 0y ） ，將 （ 0x , 0y ） 帶入式 51 和式 52 中計算出 0a 和 0b 。再從鍵盤讀入終點坐標(biāo)值 （ 1x , 1y ） ，也將其帶入式 53 和式 54 中計算出 1a 和 1b ，程序流程圖如圖 23 所示。 開始 初始化 設(shè)置 判斷是否有鍵按下 歸位 定點運(yùn)動 自設(shè)運(yùn)動 循跡 設(shè)置確認(rèn)否 畫圓 返回 16 圖 23 定點運(yùn)動子程序流程圖 畫圓子程序 根據(jù)圓的參數(shù)方程的計算圓上點的坐標(biāo)，通過調(diào)用定點程序來實現(xiàn)，畫圓程序流程圖如圖 24 所示。 開始 計算當(dāng)前左邊相對目的坐標(biāo)的位置，計算出相對亮點為其所要變化的值 輸出脈沖，啟動電機(jī) 自動模數(shù)轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)化 結(jié)果等于 計算值否 返回 17 圖 24 畫圓子程序 尋跡子程序 通過判斷傳感器的不同狀態(tài)值，作出相應(yīng)的處理動作，當(dāng)遇到斷點時，多角度檢測下段的黑線，直到再次檢測到黑線。尋跡子程序流程圖如圖 25 所示。 開始 計算圓上的 點 調(diào)用定點子程序 畫完否 ? 返回 18 圖 25 循跡子程序流程圖 液晶屏對運(yùn)動物體坐標(biāo)實時顯示的實現(xiàn) 在 物體的運(yùn)動過程中，單片機(jī) 1 精確地計算出物體的坐標(biāo)，并每隔一段時間向開始 初始化 偏離黑線否？ 糾偏，使傳感器回到黑線內(nèi) 沿四十五度方向移動 偏離黑線？ 計數(shù)器加一 累加到 50 次？ 調(diào)用斷點 子程序 返回 19 單片機(jī) 2 傳輸一次物體的坐標(biāo)信息，由單片機(jī)控制液晶屏顯示。液晶屏對運(yùn)動物體坐標(biāo)實時顯示如圖 26 所示。此外，液晶屏還擔(dān)負(fù)著顯示控制模式、顯示設(shè)定位置等任務(wù)。 圖 26 液晶屏對運(yùn)動物體坐標(biāo)實時顯示的實現(xiàn) 單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的浮點型控制方法 在利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動時，我們先后采取了兩套方案，現(xiàn)分別予以介紹： 方案一 ： 每一個脈沖信號控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個步距角 ，這樣的控制方法易于實現(xiàn)，但也有其突出的缺點。若兩個電機(jī)同時實現(xiàn)同樣的位移，則此算法對物體的影響不大，但如果兩個電機(jī)在相同時間內(nèi)位移量不相同，則容易出現(xiàn)很明顯的抖動。如圖 27 所示，虛線為物體想要運(yùn)動軌跡，而實線為物體實際的運(yùn)動軌跡，雖然兩者的大體趨勢是相同的，但可以發(fā)現(xiàn)物體發(fā)生了明顯的抖動。 顯示圓心坐標(biāo)位置 到圓心點 O 從 0 度開始畫 結(jié)束 轉(zhuǎn)化結(jié)果等于 計算值否 20 圖 27 物體的不理想運(yùn)動軌跡 方案二 ： 浮點型控制方法 ， 所謂浮點型控制方法就是在一定的時間內(nèi)看起來物體只走了一個小數(shù)步，現(xiàn)舉例說明：如左電機(jī)要實現(xiàn)一百步的位移而右電機(jī)只要實現(xiàn) 60 步的位移，那我們就設(shè)定在一個單位 時間內(nèi)左電機(jī)只走半步，而右電機(jī)只走 步，當(dāng)電機(jī)的步數(shù)積累超過 1 時，步進(jìn)電機(jī)才向前真正地邁出一步。也就是說，我們所說的半步 , 步都是虛擬計算出來的，并不是步進(jìn)電機(jī)真正地走了半步。因為我們知道，一個脈沖只能使步進(jìn)電機(jī)走一步，其具體過程如下圖 28 如示： 圖 28 浮點型控制方法 三角計算求解卷 線線 求解卷線 浮點步進(jìn)比例計算 左電機(jī)浮點步進(jìn)角計算 步進(jìn)角計算 右電機(jī)浮點數(shù) 步 進(jìn)角走完 21 3*3 點陣反射式紅外光電傳感器實現(xiàn)循線 對于本課題揮部分 運(yùn)動物體的循線，我們進(jìn)行了仔細(xì)的分析，我們?yōu)椋疽箅m然屬于循線，但不同于前幾年的循線小 車，難度更加的大，為了實現(xiàn)更精確的控制，我們采用了 3*3 點陣反射式紅外光電傳感器實現(xiàn)循線。 對于循跡 小車，之所以易于控制，是因為小車可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，這樣只用一排傳感器就可以實現(xiàn)尋線。而對于此懸掛物體，控制就十分麻煩。在軟件算法中，除了中央的傳感器一定在黑線上之外，其他 8 個傳感器都有可能檢測到黑線。如圖 29所示。 圖 29 3*3 點陣反射式紅外光電傳感器 為了處理各傳感器的信息，在程序中建立一個堆棧。存儲連續(xù)的十點的位移信息。當(dāng)有多個傳感器檢測 到黑線時，系統(tǒng)控制物體向最靠近十點曲線的方向前進(jìn)。 22 3 系統(tǒng)調(diào)試 與數(shù)據(jù)記錄 測試指標(biāo) 設(shè)計題目所要求的各基本功能和發(fā)揮部分進(jìn)行分項測試。 本系統(tǒng)的調(diào)試主要包括硬件調(diào)試及軟件調(diào)試兩部分，調(diào)試的工作量比較大。系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是 密切相關(guān)的 ， 兩者密不可分。例如 許多硬件錯誤 都 是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。 系統(tǒng)的調(diào)試 通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試以進(jìn)一步排除故障。硬件的調(diào)試是基礎(chǔ)，如果硬件調(diào)試不通過，軟件設(shè)計則是無從做起。而 軟件調(diào)試 則 與所選用的軟件結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計技術(shù)有關(guān) 。 軟件 的 仿真 調(diào)試 過程如下 ：程序編寫完成后，先在 IAR Embedded workbench 集成開發(fā)環(huán)境中選擇： Project→Options→Debugger→Driver→ Simulator， 即 選擇模擬調(diào)試。在調(diào)試過程中， 如 發(fā)現(xiàn) 類似 端口配置出現(xiàn)錯誤 、 中斷結(jié)束沒有清零進(jìn)入死循環(huán) 、發(fā)送地址與接收地址不匹配等 問題 后 ，必須 進(jìn)行單步調(diào)試。 具體 聯(lián)機(jī)調(diào)試過程如下：待完成模擬調(diào)試后選擇： Project→ Options→ Debugger→ Driver→ FET Debugger， 即 選擇聯(lián)機(jī)調(diào)試 ，再 用下載線將單片機(jī)與電腦連接， 將程序下載到控制芯片 MSP430F1611 中。 經(jīng)過聯(lián)機(jī)調(diào)試，整個系統(tǒng)的軟件和硬件能夠正確的運(yùn)行。 測試儀器 使用的儀器設(shè)備如表 31 所示。 表 31 測試使用的儀器設(shè)備 序號 名稱、型號、規(guī)格 數(shù)量 / 臺 備注 1 數(shù)字萬用表： VC9806 1 勝利公司 2 微機(jī)穩(wěn)壓電源： ＷＤ－４ 1 啟東計算機(jī)總廠 3 雙蹤示波器 DS5022M 1 RIGOL 4 米尺 1 5 秒表 1 23 自行設(shè)定運(yùn)動測試 將物體放在坐標(biāo)原點 ，控制物體作自行設(shè)定的運(yùn)動。運(yùn)動距離設(shè)定為 136cm，完成時間為 。表 32 是多次測試的紀(jì)錄。 表 32 自行設(shè)定運(yùn)動測量數(shù)據(jù) 測試次數(shù) 1 2 3 行程 /cm 136 136 136 全程 運(yùn)動 時間 /s 圓周運(yùn)動測試 首先設(shè)定圓心坐標(biāo)，根據(jù)給定半徑，單片機(jī)控制物體運(yùn)動到畫圓的起始位置，并語音提示開始畫圓。經(jīng)測試所畫圓的最大軌跡誤差為 ，所用時間 為 。經(jīng)過多次測試完成良好。 表 33 為測試記錄。 表 33 圓周運(yùn)動測量表 測試次數(shù) / 次 設(shè)定圓心坐標(biāo)（ x,y） 畫筆位置坐標(biāo)顯示情況 完成時間 /s 完成情況 誤差 /cm 其他發(fā)揮 1 ， 實時顯示 良好 語音提示 2 , 實時顯示 良好 語音提示 3 ， 實時顯示 良好 語音提示 定點運(yùn)動測試 首先設(shè)定物體所要到達(dá)的一個點的坐標(biāo)，控制 物體總左下角原點出發(fā)，在規(guī)定時間內(nèi)較好的完成了題目要求。表 34 是多次測試的紀(jì)錄。 24 表 34 定點運(yùn)動測量數(shù)據(jù) 序號 設(shè)定坐標(biāo)（ x,y） 實際測量 誤差 /cm 完成時間 /s 其他發(fā)揮 1 ， , ~ 語音提示 2 ， ， ~ 語音提示 3 ， ， ~ 語音提示 循跡運(yùn)動測試 利用光電測試模塊，由單片機(jī)控制物體作任意形狀的尋跡運(yùn)動，并能判斷間斷線段，表 35 為多次測試的結(jié)果。 表 35 尋跡測量數(shù)據(jù) 序號 連續(xù)線段 循 跡情況 完成時間 /s 間斷線段 循 跡情況 完成時間 /s 1 完成 完成 2 完成 完成 3 完成 完成 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 整機(jī)測試指標(biāo)完全達(dá) 到題目要求，具體見表 36。因受 場地、實際環(huán)境等條件影響，各參數(shù)測試會因外界影響而略有誤差。 25 表 36 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 功能 實現(xiàn)情況 實際性能 基本 要求 任意設(shè)定坐標(biāo)點參數(shù) 實現(xiàn) 實現(xiàn)通過觸摸屏，在人性化的菜單提示下任意設(shè)定坐標(biāo)點參數(shù) 在 80cm100cm 坐標(biāo)紙上作自行設(shè)定的運(yùn)動 實現(xiàn) 時間 150s 誤差 5mm 在 80cm100cm 坐標(biāo)紙上，完成自行設(shè)定的階梯軌跡、直線軌跡和拋物線軌跡運(yùn)動 圓心任意設(shè)定，直徑50cm的圓周運(yùn)動 實現(xiàn) 誤差 =1cm 可作圓心任意設(shè) 定、直徑也可任意設(shè)定（包括 50cm）的圓周運(yùn)動 原點到點運(yùn)動 實現(xiàn) 時間 100s 可作坐標(biāo)紙上原點到任意點運(yùn)動 發(fā)揮 部分 顯示懸掛物中畫筆所在位置的坐標(biāo) 實現(xiàn) 可在點陣式液晶屏上顯示懸掛物中畫筆所在位置的坐標(biāo) 沿連續(xù)黑色曲線段運(yùn)動 實現(xiàn) 時間 120s 偏差 1mm 尋跡偏差小，響應(yīng)時間短 沿間斷黑色曲線段運(yùn)動 實現(xiàn) 時間 120s 偏差 1mm 尋跡偏差小，響應(yīng)時間短 其它 局部閉環(huán)修正 26 結(jié) 論 本系統(tǒng)采用 MSP430F1611 單片機(jī)作為懸掛控 制系統(tǒng)的檢測和控制 核心，實現(xiàn)通過人機(jī)界面對物體所作運(yùn)動進(jìn)行設(shè)定 ,并在 LCD上 實時顯示此時畫筆所在的坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有可畫出相應(yīng)的運(yùn)動軌跡功能。運(yùn)動參數(shù)的設(shè)定通過無線鍵盤輸入，系統(tǒng)通過比較當(dāng)前畫筆所在位置與設(shè)定位置的差異以及運(yùn)動類型，控制步進(jìn)電機(jī)完成相應(yīng)運(yùn)動 ， 在設(shè)計過程中，力求硬件電路簡單，充分發(fā)揮軟件設(shè)計的優(yōu)勢，編程靈活方便來滿足系統(tǒng)的要求。在檢測部分，選擇了雙滑輪來解決打滑問題。 系統(tǒng) 還采用了靈活算法，使物體可以畫一個漸開線，而且精度很高。綜合分析本系統(tǒng)，系統(tǒng)綜合了光機(jī)電技術(shù)，對機(jī)械系統(tǒng)、電子硬件、以及程序算法的要求都很高， 不論是在硬件設(shè)計、軟件設(shè)計還是在系統(tǒng)調(diào)試方面都遇到了不少的困難。針對這些問題，采用了軟硬件結(jié)合的調(diào)試方式，在盡量減少硬件誤差的前提下，通過軟件彌補(bǔ)硬件誤差。這種方式大大提高了系統(tǒng)的精度，被證明是十分成功的方法。經(jīng)過四個多月的努力， 基本實現(xiàn)了課題的各方面 要求。 27 參考文獻(xiàn) [1] 潘新民 ． 單片微型計算機(jī)實用系統(tǒng)設(shè)計 ． 北京： 人民郵電出版社 ， 1992： 8819. 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