电子大赛一等奖 悬挂运动控制系统.docx
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电子大赛一等奖悬挂运动控制系统
悬挂运动控制系统[05电子大赛一等奖]
文章来源:
凌阳科技教育推广中心
作者:
西安航空技术高等专科学校(李新钊胡春雷钱建松) 发布时间:
2006-5-2911:
28:
19
摘 要:
本系统以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心,通过所需运动轨迹曲线的参数方程,建立运动控制模型,按照算法对两组驱动步进电机进行控制,实现了悬挂画笔在给定的范围内的定点运动、任意曲线运动以及圆心可任意设定的圆周运动等功能,不仅完成了发挥部分要求,利用SPCE061A强大的语音处理功能,还增加了语音播放功能。
关键词:
单片机运动控制模型智能算法步进电机
一、 方案论证
根据题目的设计要求,本设计主要实现勾画设定轨迹和对设定轨迹的搜寻功能,并能实时的显示物体中画笔所在位置坐标。
其系统方案框图如图1.1所示。
为实现各模块功能,提出了几种设计方案并进行论证。
图1.1系统方案框图
1、控制器模块
方案一:
采用传统的51系列单片机作为系统控制器。
在本设计中,单片机的运算速度越快,运动轨迹精度越高,所以对单片机的执行速度有较高的要求;又由于本系统程序量较大,使用的I/O口资源较多,对于51来说,实现这些功能都比较困难。
方案二:
采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心。
与51相比,SPCE061A具有更加丰富的资源:
具有32个可编程的I/O口,14个中断源;CPU的工作时钟频率可以高达49.152MHZ,可以更好地满足本设计对数据处理速度的要求;独特的语音功能可使本系统具有更好的人机交互界面。
综上分析,选择方案二。
2、电机驱动模块
在本设计中,主控制器通过对电机的步进数控制来实现物体的运动,从而作出各种运动轨迹,设计思想是将物体的运动转换为拉线的伸缩,最终将伸缩量转化为电机的步数,从便于软件设计的角度出发,采用了57BYG系列两相混合式步进电机作为被控电机,这种具有较高的控制精度,速度的可控性好,制动性强。
其驱动方案如下:
采用微步进驱动模块,微步进驱动模块是由微控制器外接D/A转换器及光耦隔离电路组成的,它可以产生步进电机所需的相序脉冲。
系统单片机只需提供电机转动的方向信号和步进脉冲,其硬件连接简单,程序易编写,且节省I/O口。
所以本系统采用步进电机微步进驱动电路。
3、语音模块
由于本设计采用的控制芯片是凌阳SPCE061A单片机,该芯片本身具有语音功能,所以本系统只需利用SPCE061A为核心的精简开发板,就可以实现语音功能,不需再做专门的语音模块。
4、寻迹模块
方案一:
采用热探测器。
由于温度变化是因为吸收热能辐射能量引起的,与吸收红外辐射的波长没有关系,即对红外辐射吸收没有波长的选择,因此受外界环境影响比较大。
方案二、采用单光束反射取样式光电传感器ST178作为敏感元件,利用红外线对不同颜色的反射系数不同而产生强弱电流信号,所以受外界环境的影响比较小,抗干扰性比较强。
基于以上两种方案比较,采用方案二。
二、 详细软硬件设计
1、硬件设计
系统电路连接及硬件资源分配
本系统硬件电路连接图见图2.1。
图2.1 系统电路连接图
SPCE061A的硬件资源分配见表2.1。
表2.1 SPCE061A单片机硬件资源分配表
I/O口资源使用情况
使用
IOA[10:
0]用于LCD液晶显示
IOA[14:
11]用于电机驱动控制
IOB[7:
0]用于4×4矩阵式键盘
IOB[11:
8]用于传感器光电检测
Timer使用情况
TimerA
未使用
TimerB
未使用
中断使用情况
FIQ:
语音播放中断服务程序
寻轨迹控制策略
根据题目的要求,悬挂物沿曲线运动的轨迹分为两段,连续段和间断段。
可采用4个光电传感器作为检测元件,其放置方式如图2.2所示。
图2.2 4个光电传感器放置方式
在连续段寻迹时,通过判断四个传感器的16种组合状态,使电机作出相应的伸缩动作。
当轨迹为间断线时,电机拉动传感器在大角度方向内位移,直到在某一方向检测到新的黑线为止。
然后再调用连续段的寻迹程序。
系统各模块单元电路设计
(1)电源部分电路设计
本系统中使用了两相混合式步进电机,其额定工作电流达到2.0A,而W78××系列组件,最大输出电流为1.5A,因此电路中采用了外接大功率三极管C5297来扩大电流输出范围,其电路如图2.3所示。
在7815的输出极加上大功率三极管,扩流后的电流为
Io=Io′+Ic上式中Io′是7815的输出端电流,Ic为三极管集电极电流。
扩大后的电流达到2.0A以上,满足系统电机驱动电流的要求。
图2.3 电源电路
(2)语音播报模块设计
凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出,DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出,DAC输出为电流型输出,经LM396音频放大,即可驱动喇叭放音。
放大电路如图2.4所示。
图2.4 语音播报电路
(3)寻迹部分电路设计
根据题目的要求,悬挂物体要沿着黑线运行,采用反射式光电传感器进行探测。
光电传感器的硬件设计如图2.5所示。
电压比较器LM393的同相输入Ⅴin拉低,输出为低电平。
当检测到黑线时,接收管截止,同相输入Ⅴin为高,比较器输出为高电平。
本系统中四个传感器的的OUT分别连接IOB8~IOB11。
图2.5 寻迹电路
(4)显示模块设计
在系统中,利用通用的液晶1602作为显示模块实时显示寻迹或者定点的坐标。
液晶1602的技术参数为:
◆显示容量:
32个字符,每个字符为5×7点阵,分2行,每行16列
◆芯片工作电压:
4.5-5.5V
◆工作电流:
2mA(5.0V)
◆模块最佳工作电压:
5.0V
◆字符尺寸:
2.95×4.35(W×H)mm
其典型应用接口图如图2.6。
本系统中DB0~DB7连接SPCE061A的IOA0~IOA7,EP连接IOA8,R/W连接IOA9,RS连接IOA10。
图2.6 1602与单片机典型接口
(5)键盘模块电路设计
根据设计需求,本系统中使用了标准的4×4键盘,其电路原理图如图2.7。
图中C1~C4为4×4键盘的列信号,L1~L4为4×4键盘的行信号。
在本系统中,用IOB4~IOB7连接键盘的列信号C4~C1;用IOB0~IOB3连接键盘的行信号L4~L1。
图2.7 4×4键盘电路原理图
在本系统中,S1~S3、S5~S7、S9~S11、S13为数字键,如图2.8,S4、S8、S12、S14~S16为功能键。
图2.8 4×4键盘功能图
2、软件设计
理论分析与计算
1、位移/脉冲转换方法:
给步进电机一定频率的脉冲,使电机拖动一载体移位100cm,记录下此期间所给脉冲总数z,由此则步进电机拉动载体位移1mm所需的脉冲数
(注意给定的频率不要太高,否则会出现丢步。
多测几次,取脉冲数相近的那个脉冲数z),因此,直接可将拉线的位移转化为送给电机的脉冲个数。
脉冲的频率决定转速,脉冲个数决定位移。
2、点到点运动核心算法:
结合图2.9说明,假设E(x0,y0),F(x1,y1)为给定平面范围上的任意两点,作辅助线(图中虚线部分),在直角三角形⊿ABE中
a0=
;
在直角三角形⊿CDE中:
b0=
同理对于F点,两拉线长分别为:
a1=
b1=
因此当悬挂物从E点运动到F点时:
电机1的收放线长度为c(当c<0,电机正转(或拉线伸长);c>0时,电机反转(或拉线收缩))
c=a0-a1
电机2的收放线长度为d(当d<0,电机反转(或拉线收缩),当d>0时,电机正转(或拉线伸长))
d=d0-d1
根据c,d的正负分别确定电机1,电机2的正反转向。
而根据c,d的绝对值来确定电机1,电机2各自所需的脉冲数:
电机1所分配的脉冲数:
m=
×p
电机2所分配的脉冲数:
n=
×p
图2.9 点到点运动示意图
3、误差补偿:
为了使运动轨迹更加平滑,采用按比例分配脉冲的原则进行交替送脉冲,电机2所运行的脉冲数是电机1所运行的脉冲数的
倍,因此电机1每运行t个脉冲,电机2就需要运行
×t个脉冲,该算法可能会造成电机2所送的脉冲数与理论计算脉冲数稍有偏差,因此加入适当的补偿程序,使得所运行轨迹精度更高,曲线更平滑。
4、数学模型:
本设计要求悬挂物能够画一个圆,设所画圆的圆心坐标为(x0,y0)半径为固定的25cm,(x,y)为圆周上的任意一点,由此确定圆的方程为:
(x-x0)^2+(y-y0)^2=25^2
若直接使用该方程来求圆上点的坐标,算法比较复杂,采用了圆的参数方程:
X=x0+25sint;
Y=y0+25cost; (x0,y0)为圆心坐标
这样,则圆的坐标仅与参数t有关,因此,使角度t以某一设定的角度步长v累加,使t+q×v在周期[t,t+2π]内变化,其中q为累加步数。
这样就可以采样到圆上均匀的点,显然,角度步长v越小,在圆周上取得点越多,控制也会更精确。
程序流程
(1)主程序
本系统软件设计采用凌阳μ'nSP的汇编语言与C语言交叉使用,可固化、可剪裁,以实现系统所要求的各项功能。
系统软件主程序流程图如图2.10所示:
图2.10 主程序流程图
(2)定点运动子程序
通过对步进电机的控制,使悬挂物从初始位置运动到指定点流程图如图2.11所示:
图2.11 定点运动子程序流程图
(3)画圆子程序
根据圆的参数方程的计算圆上点的坐标,通过调用定点程序来实现,画圆程序流程图如图2.12所示。
图2.12 画圆子程序流程图
(4)寻迹子程序
通过判断传感器的不同状态值,作出相应的处理动作,当遇到断点时,多角度检测下段的黑线,直到再次检测到黑线。
寻迹流程图如图2.13所示。
图2.13 寻迹子程序流程图
三、 测试说明
1、测试指标
将设计题目所要求的各基本功能和发挥部分进行分项测试。
2、测试仪器
测试使用的仪器设备如表3.1所示。
表3.1 测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量/台
备注
1
数字万用表:
VC9806
1
胜利公司
2
微机稳压电源:
WD-4
1
启东计算机总厂
3
双踪示波器DS5022M
1
RIGOL
4
米尺
1
-
5
秒表
1
-
2、自行设定运动测试
将物体放在坐标原点,控制物体作自行设定的运动。
运动距离设定为136cm,完成时间为55.86s。
表3.2是多次测试的纪录。
表3.2自行设定运动测量数据
测试次数
1
2
3
行程/cm
136
136
136
全程行使时间/s
55.86
55.45
55.65
3、圆周运动测试
首先设定圆心坐标,根据给定半径,单片机控制物体运动到画圆的起始位置,并语音提示开始画圆。
经测试所画圆的最大轨迹误差为0.5cm,所用时间为48.56秒。
经过多次测试完成良好。
表3.3圆周运动测量表
测试次数/次
设定圆心坐标(X,Y)
画笔位置坐标显示情况
完成时间/s
完成情况
误差/cm
其他发挥
1
40.00,50.00
实时显示
48.83
良好
0.10
语音提示
2
45.00,55.00
实时显示
48.56
良好
0.10
语音提示
3
35.00,50.00
实时显示
47.85
良好
0.10
语音提示
4、定点运动测试
首先设定物体所要到达的一个点的坐标,控制物体总左下角原点出发,在规定时间内较好的完成了题目要求。
表3.4是多次测试的纪录。
表3.4定点运动测量数据
序号
设定坐标(x,y)
实际测量
误差/cm
完成时间/s
其他发挥
1
45.00,55.00
44.80,54.80
0.20~0.50
22.55
语音提示
2
40.00,40.00
39.80,39.70
0.23~0.45
16.80
语音提示
3
70.00,85.00
69.80,84.40
0.24~0.38
28.33
语音提示
5、寻迹测试
利用光电测试模块,由单片机控制物体作任意形状的寻迹运动,并能判断间断线段,表3.5为多次测试的结果。
表3.5寻迹测量数据
序号
连续线段寻迹情况
完成时间/s
间断线段寻迹情况
完成时间/s
1
完成
32.87
完成
26.28
2
完成
32.80
完成
26.31
3
完成
32.90
完成
25.98
参考文献
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