畢業(yè)設(shè)計方案

懸掛運動控制系統(tǒng)[電子大賽二等獎]文章起源：凌陽科技教育推廣中心

作者：江蘇大學(xué)張壽龍?zhí)镎讐沮w生祿公布時間：-6-299:37:24摘要：本系統(tǒng)以凌陽SPCE061A單片機為控制關(guān)鍵，采取L298芯片作為兩只步進電機驅(qū)動模塊，利用1×4鍵盤完成對相關(guān)參數(shù)設(shè)定，采取液晶顯示器顯示參數(shù)信息，采取1個反射式光電傳感器來檢測板上所標(biāo)黑線位置；使用了一套精準軟件算法，有效地實現(xiàn)了兩路電機配合轉(zhuǎn)動，使得懸掛物體能夠按照幾個不一樣設(shè)定路徑準確移動，完成題目標(biāo)各項要求。一、方案論證

1、單片機選擇

方案一：采取89C51單片機實現(xiàn)，單片機軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。不過89C51需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器來滿足數(shù)據(jù)采樣，硬件電路相對復(fù)雜。另外，51單片機在線操作不易掌握，需要用仿真器來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為繁瑣。

方案二：采取凌陽SPCE061A單片機實現(xiàn)，該單片機內(nèi)部資源豐富，集成了A/D，D/A，易于數(shù)據(jù)采集，同時因為其在線仿真技術(shù)，軟硬件調(diào)試方便，對于電子設(shè)計競賽這種時間緊，任務(wù)多開發(fā)來說是極為有利。

基于上述分析，我們擬選擇方案二。2、電機選擇

方案一：采取直流電機控制懸掛物體運動，直流電機力量大，能取得較大開啟轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動速度快，但因為存在機械觸點，直流電機輕易產(chǎn)生噪聲，而且單獨使用時不能完成位置控制，需要配以傳感器才能控制訂位。

方案二：采取步進電機控制懸掛物體準確運動，步進電機不需要使用傳感器就能精準定位，而且經(jīng)過給定脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動，定距運動較精準。即使步進電機不能高速轉(zhuǎn)動，但依照題目要求時間和移動距離，步進電機完全能夠符合要求，是該種要求下廣泛使用一個電機。

基于上述理論分析，我們擬選擇方案二。3、黑線檢測模塊選擇

檢測板上黑線基本原理是：光線照射到板上并反射，因為黑線和白紙反系數(shù)不一樣，依照接收到反射光強弱判斷是否黑線。

方案一：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成發(fā)射-接收電路。這種方案缺點在于其余環(huán)境光源會對光敏二極管工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判，即使是采取超高亮發(fā)光二極管能夠降低一定干擾，但這將增加額外功率損耗。

方案二：脈沖調(diào)制反射式紅外發(fā)射-接收器。采取帶有交流分量調(diào)制信號，能夠大幅降低環(huán)境光源直流分量干擾，但因為該紅外發(fā)射管最大工作電流取決于平均電流，該最大電流需要經(jīng)過調(diào)整占空比來調(diào)整；而且需要添加額外電路和程序，本題中并不需要很大電流，故不需要采取該管子。

方案三：不調(diào)制反射式紅外發(fā)射-接收器。因為采取紅外管代替普通可見光管，能夠有效降低環(huán)境光源干擾，尺寸小、質(zhì)量輕、靈敏度高，對輔助裝置要求最少，對人眼無傷害，采取不調(diào)制反射式紅外發(fā)射-接收器完全能夠有效降低干擾，而且方便可行，能夠準確實施檢測。

基于上述考慮，我們決定采取方案三。4、電源選擇

方案一：全部器件都采取單一電源。這么供電即使比較簡單，不過因為電動機開啟瞬間電流很大，而且給定脈沖信號驅(qū)動電機電流波動較大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，對單片機系統(tǒng)造成嚴重干擾，缺點十分顯著。

方案二：雙電源供電。將電機驅(qū)動電源（12V）和單片機供電電源（5V）完全隔開，這么設(shè)計能夠徹底消除電機驅(qū)動所造成干擾，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

基于上述考慮，所以我們選擇方案二。5、顯示選擇

方案一：用LED數(shù)碼管顯示設(shè)定坐標(biāo)，本題中只需要六只LED數(shù)碼管進行動態(tài)顯示即能夠顯示X軸和Y軸坐標(biāo)，優(yōu)點是接口簡單，易于控制，缺點是只能用于比較簡單數(shù)字顯示。

方案二：用LCD液晶顯示器顯示，優(yōu)點是能顯示更多字符，有著良好人機界面，缺點是控制比較復(fù)雜。因為凌陽SPCE061A單片機有著豐富硬件資源，加上當(dāng)代社會發(fā)展對人機界面要求越來越高。

基于上述考慮，所以我們選擇方案二。二、詳細軟硬件設(shè)計

依照題目要求和上述論證，本系統(tǒng)系統(tǒng)框圖如圖2.1。圖2.1

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖總體設(shè)計方案硬件連接圖如圖2.2所表示。

圖2.2

硬件連接圖1、硬件設(shè)計

（1）單片機最小系統(tǒng)

由凌陽單片機SPCE061A及鍵盤和LCD顯示器組成。

SPCE061A是凌陽科技推出一款16位結(jié)構(gòu)μ'nSP系列微控制器。SPCE061A里內(nèi)嵌32K字閃存（Flash），較高處理速度使μ'nSP能夠非常輕易地、快速地處理復(fù)雜數(shù)字信號。SPCE061A單片機內(nèi)置8路ADC，2路DAC，且集成開發(fā)環(huán)境中，配有很多語音播放API函數(shù)，用SPCE061A實現(xiàn)語音播放極為方便。另外，該芯片內(nèi)置在線仿真、編程接口，能夠方便實現(xiàn)在線調(diào)試。

考慮到本題目所應(yīng)用復(fù)雜程度和系統(tǒng)資源分配，采取最簡單直接1×4鍵盤數(shù)據(jù)輸入端口。

顯示模塊用是OCM4X8C液晶顯示器，它是128×64點陣漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國家標(biāo)準GB2312碼簡體漢字字庫（16×16點陣）、128個字符（8×16點陣）及64×256點陣顯示RAM（GDRAM）。具備多個功效：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等。界面比較豐富，人機操作更直觀。其外接接口可直接與CPU連接，提供兩種方式來連接微處理機：8-位并行方式和串行方式。串行進行數(shù)據(jù)傳輸，能夠節(jié)約單片機資源。本系統(tǒng)中就用了串行方式。（2）步進電機驅(qū)動模塊電路實現(xiàn)

系統(tǒng)中選取二相四拍步進電機，L298N（用于輸入標(biāo)準TTL邏輯電平、輸出電壓、電流要求比較高驅(qū)動電路，諸如繼電器、電磁閥、DC或步進電動機等設(shè)備中）作為雙橋驅(qū)動器件。每次繞組受到激勵，電動機軸就旋轉(zhuǎn)一圈幾分之一。為使其正確旋轉(zhuǎn)，繞組必須按正確次序受到激勵。若勵磁信號正向傳送，則步進電機正轉(zhuǎn)；勵磁信號反向傳送，則步進電機反轉(zhuǎn)。由脈沖信號控制電動機，故調(diào)整脈沖信號頻率便可改變步進電機轉(zhuǎn)速。

L298N內(nèi)電路如圖2.3。圖2.3

L298N內(nèi)電路由電路可知，二相四拍電動機勵磁方式輸入如表2.1。表2.1

二相四拍電動機勵磁方式輸入ABCD1100011000111001利用單片機很輕易滿足步進電機工作條件，且輕易控制。電路連接見圖2.4。

圖2.4

L298N電路連接（3）光電檢測模塊電路設(shè)計與實現(xiàn)

為了檢測板上黑線位置，在懸掛物體中心上固定一個反射式紅外發(fā)射-接收器。詳細電路如圖2.5所表示。圖2.5

反射式紅外發(fā)射-接收器電路發(fā)射部分采取紅外發(fā)射管，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)信號輸出。接收部分光敏二極管在不一樣光照強度下，電阻值會大幅改變。本試驗中，我們把電路參數(shù)設(shè)置為只對黑色敏感。當(dāng)檢測不到黑線時，發(fā)射管發(fā)出紅外光經(jīng)板面反射后被接收管接收，接收管導(dǎo)通，斯密特管輸出低電平，當(dāng)檢測到黑線時，發(fā)射管發(fā)出紅外光不能被反射，斯密特管輸出高電平，單片機經(jīng)過檢測I/O口高低電平來判斷電機運動方向。因為是采取四個方向同時檢測，故單片機判斷能力就顯著提升，縮短了檢測判斷時間，同時也增強了糾錯能力。2、軟件設(shè)計

（1）主程序

要完成上述任務(wù)，而且控制比較準確，實現(xiàn)算法很主要。尤其是懸掛物體從一個位置坐標(biāo)運動到另一個位置坐標(biāo)算法，是實現(xiàn)任務(wù)基礎(chǔ)。

按照題目要求在100cm×80cm圖上定出各個點坐標(biāo)，現(xiàn)在以左下角為坐標(biāo)原點，以一厘米為一個單位，標(biāo)出橫軸和縱軸數(shù)據(jù)，如圖2.6。圖2.6

圖板示意用x和y來表示坐標(biāo)位置，用l表示左邊繩子長度，用r表示右邊繩子長度(注意：我們這里長度是指懸線與滑輪觸點和圖中任一點（x，y）間直線距離)。

x和y與l和r關(guān)系函數(shù)以下：

現(xiàn)在我們來計算出對應(yīng)電機轉(zhuǎn)動拍數(shù)。

設(shè)初始位置坐標(biāo)為（x1，y1），目標(biāo)位置為（x2，y2）時，△l和△r為l和r微小變量：

經(jīng)過△l和△r改變，就能夠控制電機轉(zhuǎn)動拍數(shù)，進而控制物體移動。

依照圓周數(shù)學(xué)關(guān)系，要使懸物左右對應(yīng)移動△l、△r，則左右兩電機需轉(zhuǎn)動過角度為：

（R為電動機轉(zhuǎn)軸半徑）

又知我們采取二相四拍步進電機，每一步進為1.8°，則得到左右兩個電機需轉(zhuǎn)動拍數(shù)為：

由此我們就能夠依照上面計算來控制電機輸出脈沖，驅(qū)動電機以一定步進節(jié)拍運轉(zhuǎn)，拖動懸掛物體從初始位置運動到目標(biāo)位置了。

本系統(tǒng)外圍電路比較簡單，不過軟件設(shè)計相對較復(fù)雜。既要考慮系統(tǒng)完成任務(wù)詳細執(zhí)行，又要考慮總體組成易于實現(xiàn)性。從軟件功效方面看，主程序主要完成坐標(biāo)設(shè)置，鍵盤掃描及其顯示，對應(yīng)任務(wù)子程序模塊調(diào)用等。其流程圖如圖2.7。圖2.7

主程序程序流程圖在發(fā)揮部分（1）中，要求能夠顯示物體中畫筆所在位置坐標(biāo)。本系統(tǒng)主模塊中把此項功效獨立出去，放在坐標(biāo)計算后，直接輸出并在LCD顯示。這么就與任務(wù)子程序調(diào)用分離開來，易于實現(xiàn)。（2）定點運動程序

定點運動中不需要關(guān)心懸掛物體在運行過程中軌跡，只考慮原點與設(shè)定點之間距離，依照這一距離，利用公式直接計算出左右兩根繩子最終應(yīng)該收放相對距離，依照這一距離控制電機轉(zhuǎn)數(shù)。

則基于原點坐標(biāo)（0，0），設(shè)定坐標(biāo)（x，y），和兩邊繩子長度函數(shù)關(guān)系為：

設(shè)定點左右繩長，

原點左右繩長，

左右電機運線所需差值，

其步進角度為，

（其中電機轉(zhuǎn)軸半徑R=0.5cm）

代入電機步進單位1.8°，得左右電機步進拍數(shù)，

其實現(xiàn)程序流程圖如圖2.8所表示。圖2.8

定點運動程序流程圖（3）自定義軌跡程序

在自定義軌跡模塊中需要讓懸掛物體沿任意設(shè)定形狀一條曲線來運行。在該模塊中，設(shè)定曲線是一條一個周期正弦波，該正弦波波長是72cm，從（0，25）沿軌跡走到（72，25），幅值為20cm。其基本原理是在程序中預(yù)先設(shè)計一個正弦波坐標(biāo)表格，表中放置72個數(shù)據(jù)，基本能夠達成精度要求。

正弦波初始點坐標(biāo)（0，20），則所行軌跡上各點（x，y）坐標(biāo)為：

其中k為0，1，2，3，……，72。

依次計算k=0，k=1，k=2，……，直到k=72所對應(yīng)（x，y）坐標(biāo)值數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)運行時，單片機每控制電機拖動懸掛物體到一個位置前，會先查正弦波表，將查表得到坐標(biāo)結(jié)果按照定點運動模塊算法算出左右兩線與上一個位置長度差，以及各個電機所需轉(zhuǎn)動角度和拍數(shù)。這么從微觀上看還是從一個點運動到另一個點，從宏觀上看就是一個連續(xù)正弦波形圖了。選取取樣點越多，運動軌跡就越精準。

程序流程圖如圖2.9所表示。圖2.9

自定軌跡程序流程圖（3）圓形軌跡運動模塊

與（2）相同，要讓電機控制懸掛物體走圓形軌跡，只要在程序中建立一張圓形軌跡坐標(biāo)表，單片機在運行中不停去查表，以取得下一步位置坐標(biāo)。本程序中以半徑R，圓心（xc，yc）（運行前設(shè)置）為參考點，為滿足精準度，共設(shè)定取樣點為N個，算出每一個點（x，y）橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。則坐標(biāo)計算公式為：

其中BI為角度值（單位弧度），為Nπ/45。

代入預(yù)定數(shù)值：R=25cm，N=（1，2，……90），

BI取值為π/45，2π/45，3π/45，……，90π/45。

按下面公式，

依次計算得到90個采樣點坐標(biāo)值。

程序運行時，先讀取圓心坐標(biāo)值，由軟件程序算出圓形坐標(biāo)表。經(jīng)過不停查詢表格能夠取得對應(yīng)坐標(biāo)信息，按照定點運動模塊算法算出懸物在前一位置和后一位置左右兩線長度差，以及各個電機所需轉(zhuǎn)動角度和拍數(shù)。

圓形軌跡程序流程圖如圖2.10所表示。圖2.10

圓形軌跡程序流程圖（4）軌跡跟蹤程序

在該程序模塊中，題目要求懸掛物體沿現(xiàn)場任意標(biāo)示軌跡運行。在懸掛物體運行過程中需要有尋跡反饋，這么才能對懸掛物體行進路線進行糾偏。我們在懸掛物體底下安裝了1個紅外反射對管，以完成對反饋信號采樣。由上面硬件介紹可知，當(dāng)對管被黑色物體擋住時，接收管沒有反射光源照射，則其輸出端為高電平，反之為低電平。單片機經(jīng)過不停查詢采樣信號端狀態(tài)，控制電機運動。

在此模塊算法中，首先確定待尋軌跡初始位置坐標(biāo)，以此坐標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)尋找待尋軌跡下一個點。尋下一點程序是本模塊關(guān)鍵。為了能夠準確找到該點下一個點，我們定義了兩層查詢結(jié)構(gòu)。

第一層是記住該點，并以這一點為中心，向上行進1cm，若傳感器信號輸出端為低電平，則按此方向向上運動；若為高電平，則回到記憶點。按照上述方法依次向右、向下、向左行進1cm，若沿某方向檢測出低電平，則在此點開始下一點查詢；若檢測輸入信號一直為高電平，則在懸掛物體回到記憶點以后，進入第二層繼續(xù)查詢。這四個點正面分布如圖2.11。圖2.11

懸物運動第一層查詢點分布第二層查詢在第一層查詢沒有結(jié)果情況下進行。首先使懸掛物體沿與x、y軸分別成45°、135°方向行進，行進距離為2cm，到第1點，若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪下一點查詢；若檢測為高電平，則水平行進到與記憶點y坐標(biāo)相交位置，為第2點。

若此時檢測信號為低電平，則開始新一輪下一點查詢；若為高電平，則沿水平方向繼續(xù)行進到與第一點關(guān)于記憶點y坐標(biāo)對稱位置，是第3點。

若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪下一點查詢；若檢測為高電平，則豎直行進到與記憶點x坐標(biāo)相交位置，是第4點。

若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪下一點查詢；若檢測為高電平，則豎直行進到與第三點關(guān)于記憶點x坐標(biāo)對稱位置，是第5點。

若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪下一點查詢；若檢測為高電平，則水平行進到與第二點關(guān)于記憶點x坐標(biāo)對稱位置，是第6點。

若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪下一點查詢；若檢測為高電平，則水平行進到與第五點關(guān)于記憶點y坐標(biāo)對稱位置，是第7點。

若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪下一點查詢；若檢測為高電平，則豎直行進到與第七點關(guān)于記憶點x坐標(biāo)對稱位置，是第8點。

若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪下一點查詢；若檢測為高電平，則證實已無軌跡可尋，退出跟蹤程序運行。

這八個點正面分布為圖2.12。圖2.12

懸物運動第二層查詢點分布軌跡跟蹤程序流程圖如圖2.13。圖2.13

軌跡跟蹤程序流程圖檢測到低電平信號以后，依照上面通用算法，可知坐標(biāo)差值，進而算得電機運行步進拍數(shù)。三、測試說明

1、測試儀器

海星順達科技806秒表：最小刻度值：1/5s

地牌3米卷尺（JC-353W-4）：精度0.001m

2、測試數(shù)據(jù)

（1）鍵盤設(shè)定坐標(biāo)點測試

經(jīng)過鍵盤設(shè)定（0，0）~（80，100）之間任何一點坐標(biāo)，結(jié)果正確，準確率100%。（2）自定義軌跡測試

測試數(shù)據(jù)如表3.1所表示。表3.1

自定義軌跡測試統(tǒng)計次數(shù)123起始點（0，25）（1，24）（1，25）終止點（72，25）（70，24）（71，23）所用時間（s）50.048.549測試中設(shè)定路徑是一個周期正弦波，測試顯示物體實際運行軌跡與算法中理論設(shè)定軌跡基本相符，而且所畫波形比較圓滑，誤差很小，達成設(shè)計要求。（3）圓周運動測試

測試數(shù)據(jù)如表3.2所表示。表3.2

圓周運動測試統(tǒng)計次數(shù)123圓心（40，50）（40，50）（50，30）直徑(cm)525151直徑誤差（cm）211所用時間(s)908988經(jīng)過測試，我們發(fā)覺實際測得直徑總是稍有偏大，但在誤差范圍之內(nèi)，我們分析原因可能在于滑輪摩擦力和細線變形，而我們實際走完全程所用時間遠小于要求時間，原因在于我們算法較優(yōu)?？傮w看來，我們這一模塊設(shè)計速度快，精