懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目錄摘要與關(guān)鍵字------------------------------------------------------------------------------------4第一章設(shè)計(jì)任務(wù)及要求----------------------------------------------------------------------51.1設(shè)計(jì)任務(wù)--------------------------------------------------------------------------------51.2技術(shù)要求--------------------------------------------------------------------------------6基本要求-----------------------------------------------------------------------------6發(fā)揮部分----------------------------------------------------------------------------6其次章模塊方案比較與論證---------------------------------------------------------------72.1電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊-------------------------------------------------------------72.2限制器模塊----------------------------------------------------------------------------82.3滑塊位移檢測模塊-------------------------------------------------------------------92.4紙面線段尋跡模塊------------------------------------------------------------------9第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)---------------------------------------------------------------103.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------------103.2系統(tǒng)主要單元模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)------------------------------------------------103.2.1機(jī)械部分的設(shè)計(jì)智能限制部分的設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------11第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)------------------------------------------------------------------------154.1運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立--------------------------------------------------------154.2限制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-----------------------------------------------------16限制程序總體設(shè)計(jì)--------------------------------------------------------16第五章系統(tǒng)測試------------------------------------------------------------------------------185.1測試儀器------------------------------------------------------------------------------185.2指標(biāo)測試------------------------------------------------------------------------------18自行設(shè)定運(yùn)動(dòng)測試----------------------------------------------------------------18圓周運(yùn)動(dòng)測試----------------------------------------------------------------------18鍵盤輸入坐標(biāo)點(diǎn)并運(yùn)動(dòng)到該點(diǎn)的測試----------------------------------------18第六章總結(jié)-----------------------------------------------------------------19參考文獻(xiàn)----------------------------------------------------------------------------------------20致謝----------------------------------------------------------------------------------------------21附錄----------------------------------------------------------------------------------------------22摘要本系統(tǒng)的限制部分采納兩塊單片機(jī)實(shí)現(xiàn)（AT89C55和AT89C52），主單片機(jī)用于限制信號輸入和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從單片機(jī)用于信號檢測和運(yùn)動(dòng)滑塊坐標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采納無相四線制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，定位精度高，誤差不隨轉(zhuǎn)數(shù)累加，驅(qū)動(dòng)電路采納雙H橋結(jié)構(gòu)的L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，由主單片機(jī)輸出環(huán)形脈沖序列干脆驅(qū)動(dòng)。本題的難點(diǎn)在于限制算法的實(shí)現(xiàn)，我們對限制系統(tǒng)進(jìn)行了精確的數(shù)學(xué)建模，得到了步進(jìn)電機(jī)輸出和繪圖滑塊的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的精確對應(yīng)關(guān)系，并把繪圖區(qū)的坐標(biāo)信息建立成表格存儲在ROM中，通過查表的方式來計(jì)算得到限制輸出量。我們的限制系統(tǒng)達(dá)到了很好的限制精度，基本上完成了題目的要求。關(guān)鍵字：單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)建模查表AbstractThecontrolpartofthissystemisbasedontwomicrocontrollers(AT89C55andAT89S52),oneusedfortheinputsignalofcontrolandthedriveofthestepmotor,theotherusedforslipperypieceofthesignalexaminationanddisplayingthecoordinateofthesolidhouratanytime.Andthedrawingsystemiscarryingoutbytwofourphasestepmotors,whicharedriveddirectlybyintegratedchipL298thathasdoubleHbridgesstructureoftheelectriccircuit,anditscircuitdrivingpulsesaregivendirectlybytheprimarymicrocontroller.Adifficultpointintheproblemishowtocarryoutthecontrolarithmetic,forwhich,wesetuptheprecisemathematicsmoldofthecontrolsystem.Themoldcoulddescribethestrictrelationshipofthestepmotors’outputsandthecoordinatesoftheslipperfordrawingateverypointinthedrawingarea.WestoredallthecoordinatedatainaROM,andwecangetthedatabytablelook-upwaywhenthecoordinateisusedinrunningcourse.Bythisway,ourcontrolsystemformtoaveryhighprecision,andwecompleteaboutallthetaskwell.Keyword:microcontroller,stepmotor,mathematicsmolding,tablelook-up1、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一電機(jī)限制系統(tǒng)，限制物體在傾斜的板上運(yùn)動(dòng)。在一白色底板上固定兩個(gè)滑輪，兩只電機(jī)，通過穿過滑輪的吊繩限制一物體在板上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍為。物體的形態(tài)不限，質(zhì)量大于克。物體上固定有淺色畫筆，以便運(yùn)動(dòng)時(shí)能在板上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡。板上標(biāo)有間距為的淺色坐標(biāo)線，左下角為直角坐標(biāo)原點(diǎn)。1.2設(shè)計(jì)要求：基本要求：限制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式隨意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)；限制物體在的范圍內(nèi)做自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡長度不小于，物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠在板上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡，限秒內(nèi)完成；限制物體做圓心可隨意設(shè)定、直徑為的圓周運(yùn)動(dòng)，限秒內(nèi)完成；物體從左下角坐標(biāo)原點(diǎn)動(dòng)身，在秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（兩點(diǎn)間直線距離不小于）。發(fā)揮部分能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)；限制物體沿板上標(biāo)出的隨意曲線運(yùn)動(dòng)，曲線在測試時(shí)現(xiàn)場標(biāo)出，線寬，總長度約，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，長約；后一部分是兩端總長約的間斷線段，間斷距離不大于；沿連續(xù)曲線運(yùn)動(dòng)限定在秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運(yùn)動(dòng)限定在秒內(nèi)完成；其他。2、方案比較與論證依據(jù)題目的技術(shù)指標(biāo)和要求，系統(tǒng)可分為機(jī)械部分、限制部分和信號檢測部分。詳細(xì)可劃分為滑塊位移檢測模塊，紙面線段尋跡模塊，鍵盤，限制模塊，顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)系統(tǒng)、繪圖裝置。如圖（1）所示。對各模塊的實(shí)現(xiàn)，分別有以下一些不同的設(shè)計(jì)方案。紙面線段尋跡模塊繪圖裝置

繪圖裝置滑塊位移檢測模塊限制器模塊鍵盤電機(jī)系統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)顯示模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖（1）系統(tǒng)組成2.1電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊依據(jù)題目的要求，電機(jī)限制部分要求的限制精度高，定位要精確。經(jīng)過分析，有以下三個(gè)方案可以選擇方案一：采納兩個(gè)直流減速電機(jī)共同帶動(dòng)滑塊達(dá)到限制的目的。由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)限制達(dá)林頓管，使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，可以簡潔的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的限制，穩(wěn)定性極強(qiáng)，是廣泛采納的調(diào)速的方法，但是不能精確定位，達(dá)到題目要求特別困難。方案二：運(yùn)用繼電器對步進(jìn)電機(jī)限制。通過開關(guān)的切換，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的各相繞組分時(shí)通入脈沖達(dá)到換向和調(diào)速的功能，優(yōu)點(diǎn)是電路特別簡潔，缺點(diǎn)是繼電器的相應(yīng)時(shí)間慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞，壽命較短，牢靠性不高。方案三：運(yùn)用驅(qū)動(dòng)芯片對步進(jìn)電機(jī)限制。驅(qū)動(dòng)芯片電路簡潔，牢靠性高，單片機(jī)可以干脆驅(qū)動(dòng)。電機(jī)的調(diào)速和位移量限制，可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，變更范圍大，簡潔實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)速度快。由于大賽的時(shí)間短，工作量大，同時(shí)對牢靠性要求也比較高，基于以上的考慮，我們選了方案三，利用集成芯片L298來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。2.2限制器模塊依據(jù)題目的要求限制器主要用于電機(jī)的限制，傳感器信號的接收與分辨數(shù)碼管顯示的管理和鍵盤的掃描，對于限制器的選擇有以下兩種方案：方案1：采納FPGA作為系統(tǒng)的限制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種困難的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的限制核心，但由于題目對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理實(shí)力得不到充分的體現(xiàn)，其成本偏高，同時(shí)芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線困難，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。方案2：采納ALTMEL公司的AT89C55和AT89S52作為系統(tǒng)限制器的雙CPU方案，分別負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)的限制和傳感元件的數(shù)據(jù)采集與處理。單片機(jī)具有敏捷性大，技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)、特別適合本限制系統(tǒng)的要求?；谝陨戏治觯覀兇_定采納方案二。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖圖（2）2.3滑塊位移檢測模塊方案一：將鼠標(biāo)作為滑塊，依據(jù)鼠標(biāo)原理進(jìn)行定位。機(jī)械式鼠標(biāo)由鼠標(biāo)底部的橡膠滾球帶動(dòng)兩根成90度排列的定位軸，定位軸的兩端連接著圓形的光學(xué)編碼器，橡膠滾球會帶動(dòng)光學(xué)編碼器上的圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，光電管就會收到斷續(xù)的信號。這樣限制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)收到鼠標(biāo)的位移量，從而達(dá)到定位。但在本題小于100度的傾角的斜面上，由于重力緣由橡膠滾球有時(shí)不能與定位軸接觸，使得運(yùn)動(dòng)是不能帶動(dòng)定位軸轉(zhuǎn)動(dòng)定位產(chǎn)生較大誤差。光電鼠標(biāo)中發(fā)光二極管照亮采樣表面，對比度劇烈的待采樣影像通過透鏡在CMOS上成像，CMOS將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為矩陣電信號傳輸給DSP，DSP則將此影像信號與存儲的上一采樣周期的影像進(jìn)行比較分析，然后發(fā)送一個(gè)位移距離信號到接口電路。這樣就可以實(shí)時(shí)跟蹤，且定位精確精密，但對于光電鼠標(biāo)的輸出信號駕馭不算成熟，而且不便于單片機(jī)利用和限制，在運(yùn)用上有肯定的障礙。方案二：由于滑塊位置由連接滑輪的兩根線的長度唯一確定，所以可測量電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)來計(jì)算繩子的位移量，這種方法簡便易行，測試簡潔，通過建立數(shù)學(xué)模型即可實(shí)現(xiàn)，且有較精確的限制精度?；谏鲜隼碚摲治?，擬選擇方案二。在測量電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)又有幾種方案可供選擇（1）采納霍爾集成片。（2）采納斷續(xù)式光電開關(guān)。（3）采納鼠標(biāo)內(nèi)部的機(jī)械滾輪部分。這三種方案都比較可行，尤其是霍爾元件，在工業(yè)上得到廣泛采納。但此題中沒有較大的輪軸，磁片密集安裝特別困難，簡潔產(chǎn)生相互干擾。斷續(xù)式光電開關(guān)精度較高，但透射光柵制作較為困難，且市場上沒有成品可以買到。機(jī)械滾輪結(jié)構(gòu)兼有其上兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，且安裝簡便，電路最為簡潔，因此擬采納第三種。2.4紙面線段尋跡模塊探測黑線的大致原理是：光線照耀到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可依據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱推斷滑塊是否處在黑線上。方案一：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的放射-接收電路。這種方案的缺點(diǎn)在與其他環(huán)境光源會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件變更，很可能造成誤判和漏判；雖然實(shí)行超高亮發(fā)光管可以降低肯定的干擾，但這又將增加額外的功率消耗。方案二：不調(diào)制的反射是紅外反射-接收器。由于采納紅外管代替一般可見光管，可以降低環(huán)境光源干擾，但假如干脆用直流電壓對管子進(jìn)行供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在10mA左右，仍舊簡潔受到干擾。方案三：脈沖調(diào)制的反射是紅外反射-接收器。考慮到環(huán)境光干擾主要是直流重量，假如采納帶有溝通重量的調(diào)制信號，則可大幅度削減外界干擾?；谏鲜隼碚摲治?，擬采納方案三。3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)本題是一個(gè)機(jī)、電、智一體化的綜合設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了自動(dòng)限制技術(shù)和電子技術(shù)，系統(tǒng)可分為機(jī)械制作和智能限制部分。機(jī)械加工部分：為了達(dá)到所要求的限制精度，它是整個(gè)作品的基礎(chǔ)，是制作勝利的保證。它包括：材料的選取、器件的選擇、繪圖板的制作、圖紙的繪制、機(jī)械和傳感器部分的安裝，五部分組成。電氣和智能限制部分：單片機(jī)將限制信號傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)完成對限制信號的響應(yīng)。它包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)板、數(shù)碼管顯示和鍵盤限制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。完成整個(gè)系統(tǒng)的顯示限制功能。3.2系統(tǒng)主要單元模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.固定的木板選用長120厘米寬122.5厘米的木板，在作圖紙上打印間距為1厘米的淺色坐標(biāo)線，用圖釘固定在木板上。依據(jù)要求固定滑輪和電機(jī)，為了便利連接，電機(jī)放在木板上方。滑輪是特地為這個(gè)作品設(shè)計(jì)加工的，能夠防止導(dǎo)線在運(yùn)動(dòng)過程中滑出，同時(shí)質(zhì)量很小能夠減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)也增大了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)力。導(dǎo)線選取的是彈性形變特別小、質(zhì)量輕、高強(qiáng)度的有機(jī)細(xì)線。這樣使電機(jī)的轉(zhuǎn)軸半徑變更量降到最小，是由于繞線重疊造成的力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變更降到最低，有利于削減系統(tǒng)的干擾因素，提高系統(tǒng)的精度和牢靠性。由于本設(shè)計(jì)方案通過限制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)來變更繩長從而限制滑塊運(yùn)動(dòng)，所以機(jī)械部件自身和安裝尺寸上都要求精密。在機(jī)械部分設(shè)計(jì)時(shí)我們主要考慮以下幾點(diǎn)。依據(jù)要求固定滑輪和電機(jī)，為了便利連接，電機(jī)放在木板上方。滑輪是特地為這個(gè)作品設(shè)計(jì)加工的，能夠防止導(dǎo)線在運(yùn)動(dòng)過程中滑出，同時(shí)質(zhì)量很小能夠減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)也增大了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)力。3、步進(jìn)電機(jī)每步的角度確定，精度取決于電機(jī)上的繞線輪的半徑，所以此輪的半徑應(yīng)盡量小，這里我們加工的繞線輪半徑為10mm。4、繩子繞在輪上時(shí)不肯定很勻稱，若疊在一起會使繞線的半徑有變更；當(dāng)滑塊處于不同坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)繩上拉力不同，假如繩子有彈性，此時(shí)繩長就會有所變更?；谏鲜隹紤]，我們選取了比較常見的縫鞋用的有機(jī)細(xì)線，這種線直徑微小不到1mm，基本沒有彈性，且質(zhì)量輕強(qiáng)度高，是很合適的選擇。5、在安裝時(shí)應(yīng)盡量使兩滑輪的中心、滑塊重心、線繩與輪軸相切點(diǎn)在同一平面內(nèi)，而且滑輪要能自由滾動(dòng)盡量減小摩擦。這樣設(shè)計(jì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)軸半徑變更量降到最小，是由于繞線重疊造成的力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變更降到最低，有利于削減系統(tǒng)的干擾因素，提高系統(tǒng)的精度和牢靠性。3.2.2（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心單片機(jī)選用AT89C55WD，它是一款低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含20kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，引腳兼容89C51和89C52芯片，采納通用編程方式，片內(nèi)置通用8位中心處理器和Flash存儲單元。由于本系統(tǒng)的主要限制數(shù)據(jù)是通過查表的方式獲得的，且數(shù)據(jù)量比較大，為此我們在最小系統(tǒng)板上外擴(kuò)了一塊16k的EPROM27C128。該單片機(jī)主要負(fù)責(zé)限制信號的輸入、繪圖限制算法的實(shí)現(xiàn)和兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)預(yù)留出串行通訊口已接受來自從單片機(jī)的處理后的檢測信息。從單片機(jī)的工作量比較小，我們采納了比較通用的可再現(xiàn)編程的AT89S52單片機(jī)。它主要負(fù)責(zé)檢測和處理來自機(jī)械測速器和光電傳感器的信號并加以處理，同時(shí)，它還預(yù)留了實(shí)時(shí)顯示滑塊坐標(biāo)的功能。它最終把處理后得到的位置信息通過串口傳送給主單片機(jī)，進(jìn)行位置校準(zhǔn)。（2）數(shù)碼管顯示和鍵盤限制電路鍵盤顯示電路的核心芯片采納INTEL公司生產(chǎn)的通用可編程鍵盤和顯示器電路的接口電路芯片8279。8279可以實(shí)現(xiàn)對鍵盤和顯示器的自動(dòng)掃描，識別閉合鍵盤產(chǎn)生的抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)顯示器動(dòng)態(tài)顯示，可以節(jié)約CPU處理鍵盤和顯示器的時(shí)間，提高CPU的工作效率。另外，8279單片機(jī)的接口簡潔，工作牢靠?？梢院喕I盤顯示電路，驅(qū)動(dòng)兩組四位的共陰數(shù)碼管和十六個(gè)鍵的鍵盤，為了應(yīng)用便利我們將鍵盤和8279放在了一起數(shù)碼管及其驅(qū)動(dòng)電路放在了一起如圖(3)所示，74LS138也放在了顯示電路中如圖(4)所示。8279的使能端和數(shù)據(jù)端口與單片機(jī)相連，單片機(jī)對顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行限制同時(shí)8279頁在對鍵盤進(jìn)行掃描，等待觸發(fā)。8279和鍵盤電路圖圖（3）數(shù)碼管顯示電路圖圖（4）（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路題目中滑塊質(zhì)量為大于100克的物體，用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩不須要太大但假如沒有肯定的余量步進(jìn)電機(jī)簡潔出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，所以我們選用KVSAN公司的42BYG016型步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8度/步，最大靜力矩900克每厘米，定位力矩小于等于150克每厘米。驅(qū)動(dòng)芯片選用L298。L298是一款雙H橋驅(qū)動(dòng)器可以供應(yīng)高電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)芯片。L298可以避開用分立元件帶來的設(shè)計(jì)問題，電路異樣簡潔，其最大驅(qū)動(dòng)實(shí)力為36V、2A。它可以由單片機(jī)干脆驅(qū)動(dòng)，輸出脈沖波型對電機(jī)進(jìn)行限制，由圖可以看到，有四個(gè)輸入接口和四個(gè)輸出接口，他們分別與單片機(jī)的I/O口一一對應(yīng)我們可以看到芯片共有兩個(gè)輸入電壓，5伏為芯片工作電壓，12伏為輸出電壓。由單片機(jī)輸出的五伏弱電流信號經(jīng)過芯片內(nèi)部電路的變更輸出為12伏的恒流信號，四個(gè)輸入口A、B、C、D依次通過脈沖，例如依次是A、B、C、D電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通電依次是D、C、B、A，那麼電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在電機(jī)的每一個(gè)輸出口兩端分別加一個(gè)二極管，這樣是為了防止電機(jī)在斷電的瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢將器件燒毀。如圖(5)所示。42BYG016型步進(jìn)電機(jī)是五線四相制電機(jī)，有五條引線與驅(qū)動(dòng)芯片相連，這五根引線中有一條是公共地線，通過查找相關(guān)資料和反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們確認(rèn)橙色線是地線，而且通電依次是：紅線、黃線、棕線、綠線，或通電依次相反則反向旋轉(zhuǎn)。圖(5)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖（5）繩子位移量的測量采納鼠標(biāo)內(nèi)部的機(jī)械滾輪，它事實(shí)上是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡潔奇妙的機(jī)械構(gòu)件，內(nèi)部為一個(gè)小圓盤，圓盤上是一些金屬片，滾輪帶動(dòng)一個(gè)金屬觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，可使兩個(gè)引腳導(dǎo)通或斷開，當(dāng)滾輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則可依據(jù)測量導(dǎo)通的次數(shù)來計(jì)算軸轉(zhuǎn)過的角度，繼而精確的計(jì)算線繩位移。由于滑輪上的線繩只有一圈，在滑輪上測量比較精確。但滑輪為一從動(dòng)部件，繩子給其的摩擦力不足以帶動(dòng)滾輪，所以將機(jī)械滾輪安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。因?yàn)檫x用線繩的直徑微小，所以不會產(chǎn)生太大誤差精度還是比較高的。此部分電路特別簡潔，只需加一個(gè)5v電壓和大電阻即可。（6）紙面線段尋跡的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)：題目要求滑塊沿板上標(biāo)出的隨意曲線運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榍€顏色為黑色且有肯定寬度，所以我們可以利用紅外反射式檢測器對黑色或白色有敏感反應(yīng)的特性，對坐標(biāo)紙上的黑色線進(jìn)行檢測。與平常常見的小車尋跡不同，滑塊自身沒有動(dòng)力，每走完一小步后都相當(dāng)于停止，所以它運(yùn)動(dòng)的方向很難確定，若在各方向上都進(jìn)行摸索法搜尋則程序會相當(dāng)困難，也不易實(shí)現(xiàn)。為此我們在滑塊上安裝了5個(gè)紅外放射接收對管，使它們圍成一個(gè)半徑為1.5cm的圓周。我們運(yùn)用的紅外放射接受對管長約8mm，所給黑線寬約1.5cm，所以以這樣圓周的方式安裝傳感器定會有某個(gè)傳感器檢測到黑線。類似盲人用探路棒探路，在已知也許方向的前提下，探到哪里沒有障礙物就向哪個(gè)方向走。因?yàn)榘准埳系暮诰€只有一條，所以可以向檢測到黑色的那個(gè)傳感器的方向走，這樣傳感器就起到了探路棒的作用。詳細(xì)可依據(jù)相對坐標(biāo)平移的方法實(shí)現(xiàn)。電路設(shè)計(jì)：圖中光傳感器的1、2端為光放射，3、4端為光接收，當(dāng)光電反射器在黑白面上移動(dòng)時(shí)，4端便得到一個(gè)變更的脈沖電壓，此電壓經(jīng)過一個(gè)施密特電路整形后得到一TTL電平傳送到單片機(jī)。為了適應(yīng)實(shí)際狀況，實(shí)行可變參考電壓，變更NE555第5腳電壓，可取得不同的回差電壓，此電壓越大電路抗干擾性越強(qiáng)，但觸發(fā)靈敏度越低。綜合考慮，我們?nèi)?腳電壓為3.60V。當(dāng)光電傳感器檢測到黑線時(shí)，NE555的3腳輸出低電平；反之，輸出高電平。利用下降沿可觸發(fā)89C51的中斷INTO。檢測電原理圖見圖（6）。圖（6）紅外線傳感器電路圖4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立本題的解題思路是通過變更繩長來限制滑塊的運(yùn)動(dòng)，所以首先我們要了解滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即滑塊坐標(biāo)與其到兩滑輪間繩長的關(guān)系，為此我們對此限制系統(tǒng)建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型。為了提高精度且避開浮點(diǎn)數(shù)處理，選取毫米為單位。首先，如圖（），選取點(diǎn)為模型坐標(biāo)原點(diǎn)，則，。當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)時(shí)，設(shè)其坐標(biāo)為,若忽視上端滑輪的半徑，則有，（3—1）且初始時(shí)刻滑輪到原點(diǎn)間繩長的距離則滑塊由原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)兩段繩分別變更的長度為，（3—2）若考慮兩滑輪的半徑時(shí)，進(jìn)行平均補(bǔ)償則又因?yàn)轭}中給定左下角為直角坐標(biāo)原點(diǎn)，所以進(jìn)行坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為要求的坐標(biāo)原點(diǎn)，則（3—3）由公式3-3我們就可以求出坐標(biāo)圖上每一點(diǎn)所對應(yīng)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的位移輸出量，考慮到單片機(jī)的運(yùn)算實(shí)力有限，我們事先把把坐標(biāo)圖上每一個(gè)格點(diǎn)的坐標(biāo)值都算出來，存儲到只讀存儲器中，當(dāng)單片機(jī)用到時(shí)干脆查表得到，然后再通過相應(yīng)的運(yùn)算，就可以實(shí)現(xiàn)幾乎全部困難的運(yùn)動(dòng)曲線。4.2限制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.2.1（1）主單片機(jī)程序設(shè)計(jì)功能：獲得鍵盤限制信息，顯示輸入信息，輸出步進(jìn)電機(jī)限制脈沖序列，串口通訊主單片機(jī)程序流程圖，起先起先輸入坐標(biāo)限制運(yùn)動(dòng)繪制自選圖形繪制圓形尋跡模式結(jié)束結(jié)束是否結(jié)束運(yùn)動(dòng)返回返回依次運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)坐標(biāo)值是依次運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)坐標(biāo)值圖（7）程序總體流程圖是否結(jié)束運(yùn)動(dòng)返回返回依次運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)坐標(biāo)值是依次運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)坐標(biāo)值起先起先起先起先設(shè)置滑塊運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)置滑塊運(yùn)動(dòng)曲線等待坐標(biāo)輸入無等待坐標(biāo)輸入無計(jì)算下一點(diǎn)坐標(biāo)值記錄坐標(biāo)值有計(jì)算下一點(diǎn)坐標(biāo)值記錄坐標(biāo)值有查表得到步進(jìn)電機(jī)的輸出量否起先運(yùn)動(dòng)查表得到步進(jìn)電機(jī)的輸出量否起先運(yùn)動(dòng)是是依次運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)坐標(biāo)值依次運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)坐標(biāo)值依次運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)坐標(biāo)值依次運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)坐標(biāo)值否否是結(jié)束運(yùn)動(dòng)返回是結(jié)束運(yùn)動(dòng)返回返回坐標(biāo)定位子程序返回繪制設(shè)曲線子程序起先起先起先起先設(shè)置滑塊運(yùn)動(dòng)曲線等待圓心坐標(biāo)輸入無設(shè)置滑塊運(yùn)動(dòng)曲線等待圓心坐標(biāo)輸入無有計(jì)算下一點(diǎn)坐標(biāo)值有計(jì)算下一點(diǎn)坐標(biāo)值查表得到步進(jìn)電機(jī)的輸出量記錄坐標(biāo)值查表得到步進(jìn)電機(jī)的輸出量記錄坐標(biāo)值起先運(yùn)動(dòng)起先運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)坐標(biāo)值運(yùn)動(dòng)到對應(yīng)坐標(biāo)值返回原坐標(biāo)點(diǎn)否返回原坐標(biāo)點(diǎn)否結(jié)束運(yùn)動(dòng)否結(jié)束運(yùn)動(dòng)否是返回是是返回是返回返回畫圓子程序?qū)ほE子程序5、系統(tǒng)測試為了確定系統(tǒng)與題目要求的復(fù)合程度，我們對各項(xiàng)任務(wù)的完成狀況作了實(shí)際的測試。5.1測試儀器：卷尺秒表各一個(gè)5.2指標(biāo)測試自行設(shè)定運(yùn)動(dòng)測試要求：運(yùn)動(dòng)軌跡長度不小于100cm，限300秒之內(nèi)完成。實(shí)際測試：以（40，0）為起始點(diǎn)，做由兩個(gè)正弦曲線組成的8字形軌跡。測試結(jié)果：運(yùn)動(dòng)軌跡與理論曲線基本吻合，誤差最大處有2.6cm。軌跡總長約210cm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間123秒。依據(jù)測試結(jié)果可看出，滑塊可以自行設(shè)定軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，且誤差在允許范圍內(nèi)。圓周運(yùn)動(dòng)測試要求：圓心可隨意設(shè)定、直徑為50cm，限300秒內(nèi)完成。測試結(jié)果：測試次數(shù)圓心坐標(biāo)最大誤差/cm運(yùn)動(dòng)時(shí)間/s1（50，25）1.5962(45,30)1.994