【正文】 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)。基于以上分析，擬選擇方案二。 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。 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。 基于以上分析，擬選擇方案一 。 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。 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。 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。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。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。 圖 13 反射式光電判讀器 針對本課題，應該選擇主動式紅外反射傳感器，其驅(qū)動方式可以分為直流直接驅(qū)動方式與交流調(diào)制方式。 直流直接驅(qū)動方式裝置簡單，但檢測距離和抗干擾能力都比較差。 交流調(diào)制方式由于可以采用交流耦合方式，解決了放大器的直流漂移問題，從而大大提高檢測的距離，同時由于環(huán)境光產(chǎn)生的干擾多數(shù)情況是信號的直流或低頻分量，可以由濾波器加以隔離，因此交流調(diào)制方式抗干擾能力也比較強，其缺點是系統(tǒng)相對復雜。 7 探測模塊信號傳輸方式的選擇與論證 循跡傳感器是實現(xiàn)本課題擴展部分，即實現(xiàn)循跡功能。由于探測模塊要安裝在繩子牽引的物體上，所以傳感器部分與主機的信號傳輸就成了一個大問題。 將無線傳輸發(fā)射模塊固定在物體上，而將接收模塊安裝在主機機箱里。但無線電傳輸模塊重量較大，加上傳感器及其驅(qū)動電路的重量將給電機驅(qū)動帶來巨大的困難；無線電傳輸模塊價格較高，不太適用于本系統(tǒng)。 紅 外傳輸模塊同樣可以解決有線傳輸對物體運動的影響問題，且結構較無 線電模塊要簡單不少。 方案三：采用有線傳輸 。但有線傳輸穩(wěn)定、可靠，且易于實現(xiàn)。 8 2 系統(tǒng)軟件設計 單片機系統(tǒng)簡介 本課題選用 MSP430 系列單片機為主控芯片。 首先， MSP430 系列單片機的存儲器統(tǒng)一分布在 0000HFFFFH 地址內(nèi)，不論是FLASH、 RAM 還是 SFR 都在這個統(tǒng)一地址范圍內(nèi)，而且沒有可位尋址的內(nèi)存單元，以便用戶查找；而 51 系列則有 idata、 bdata、 xdata、 pdata、 code 等諸多不同的存儲類型，需要使用一系列復雜的指令來分別尋址，讓初學者很難搞清楚這些概念之間的區(qū)別，從而抬高了入學的門檻，一定程度上阻礙了其廣泛應用 [10]。與擁有 110 多條指令的 51 系列相比， MSP430 僅有 27 條，大大簡化了繁瑣的指令區(qū)分。 MSP430 系列單片機介紹 超低功耗 MSP430 系列單片機的電源采用 ～ 低電壓，在 RAM 數(shù)據(jù)保持方式下僅耗電 ，其中活動耗電 250μA/MIPS（ 每秒 百萬條指數(shù)）， I/O 輸入端口的最大漏電流量僅 50nA。由時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能模塊所需的時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開或關閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（ AM）和五種低功耗模式（ LPM0～ LPM4）。用中斷請求將 CPU 喚醒只需要 6μs。 MSP430 系列單片機 具有如 9 下幾點特性： (1) MSP430 系列單片機 具有 強大的處理能力 。 同樣， MSP430 系列單片機中的某些型號，采用了一般 只有 DSP 中才有的 16 位多功能硬件乘法器、 DMA 等一系列先進的體系結構，大大增加了它的數(shù)據(jù)處理和運算能力，可以有效地實現(xiàn)一些數(shù)字信號處理的算法（如 FFT、 DTMF 等）。 (2) MSP430 系列單片機 具有豐富的外圍模塊。視型號不同可能組合有以下模塊：看門狗（ WDT），模擬比較器 A，定時器 A（ Timer_A），定時器 B（ Timer_B），串口 0，1（ USART0， 1），硬件乘法器，液晶驅(qū)動器， 10/12/14 位 ADC， 12 位 DAC， I2C總線， 直接內(nèi)存訪問 （ DMA），端口 1～ 6（ P1～ P6），基本定時器（ Basic Timer）等。 MSP430 系列單片機的豐富片內(nèi)外設，在目前所有單片機系列產(chǎn)品中式非常突出的，為系統(tǒng) 的單片解決方案提供的極大的方便。 上電復位后，首先由 DOC_CLK 啟動CPU， 以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起陣及穩(wěn)定時間。如果晶 10 體振蕩器在用作 CPU 時鐘 MCLK 時發(fā)生故障， DCO 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作。另外， MSP430 系列單片機均為工業(yè)級器件，運行溫度范圍為 40～ +85176。 (4) MSP430 系列單片機 具有 方便高效的開發(fā)環(huán)境 。 這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調(diào)試器，而不需要專用仿真器和編程器。目前比較好用的軟件開發(fā)工具是 IAR Workbench。其他系列單片機的開發(fā)一般需要專用的仿真器或編程器 [11]。就是集成了代碼編寫功能、分析功能、編譯功能、 DEBUG功能等一體化的開發(fā)軟件服務套。本系統(tǒng)采用 C語言進行程序指令的編寫。其具體操作步驟如下： (1) 運行 IAR Embedded Workbench集成化開發(fā)環(huán)境； (2) 添加一個工作區(qū)，并在工作區(qū)中添加一個項目； (3) 在項目中添加自己的程序代碼，最后編譯，模擬調(diào)試； (4) 將程序下載到單片 機中，將硬件與軟件一起進行聯(lián)機調(diào)試。它既有高級語言 的 特點，又具有匯編語言 11 的特點。 因此，它的應用范圍 非常 廣泛 ，甚至 一些大型應用軟件也是用 C 語言編寫的 [9]。 C 語言程序 所擁有的 完整的程序模塊結構 為 軟件開發(fā)中模塊化程序 的 設計和代碼的移植提供了有力保障， 同時 縮短了開發(fā)人員的開發(fā)周期。 本系統(tǒng)就是使用 C 語言來編寫系統(tǒng)的軟件程序，通過單片機和外部的硬件電路來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。隨著軟件規(guī)模的擴大和復雜化，人們體會到在整個軟件生命周期中，程序不僅僅要被計算機理解和執(zhí)行，還要經(jīng)常被人閱讀。 脈沖與位移的關系 位移 /脈沖轉(zhuǎn)換方法：給步進電機一定頻率的脈沖，使電機拖動一 個 載體移位100cm，記錄下此期間所給脈沖總數(shù) z, 由此則 可計算 步進電機拉動載體位移 1mm所需的脈沖數(shù) (注意給定的頻率不要太高，否則會出現(xiàn)丟步。脈沖的頻率決定轉(zhuǎn)速，脈沖個數(shù)決定位移。 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)值決定位移。設繩索位移 1mm 對應的AD 變化值為 P，而根據(jù) c， d 的絕對值來確定電位器 1，電位器 2 所要變化的值： 電位器 1 所分配的數(shù) 值 m： *m c p? （ 27） 電位器 2 所分配的數(shù)值 n： *n d p? （ 28） 13 圖 21 點到點運動示意圖 由此，利用軟件實現(xiàn)以上算法來分別控制兩個步進電機的 步進 a， b， 這樣就可以向控制系統(tǒng)輸入起點坐標和終點坐標讓物體在畫板置任意行走。 步進電機控制方法 在設計步進電機的控制程序時，我們首先實現(xiàn)了左移、右移、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)功能，并在此基礎上設計了 Goto(X,Y)函數(shù)，使物體能夠到達設定的任意點。 步進電機控制程序的設計思想 我們設計了一個正解和一個反解的函數(shù)來實現(xiàn)物體要到達的坐標 （ X,Y） 與兩電機要移 動的長度 (Δl1,Δl2)之間的換算。 我們還制作了一個直徑 d 為 1 厘米的繞線輪。 菜單程序的設計 我們僅利用六個鍵就實現(xiàn)了對 這個復雜系統(tǒng)的自動控制，這是因為我們設置了豐富的模式，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：到達鎖定點 Mode=4 左電機微調(diào) Mode=5 右電機微調(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) 誤差補償 為了使運動軌跡更加平滑，采用脈沖寬度調(diào)制技術控制直流電機驅(qū)動芯片 L298，以實 現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)進行快速而準確的控制，設電機 1 所運行的線值為