SIT悬挂运动.docx

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SIT悬挂运动

悬挂运动控制系统

（E题）

设计报告

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目录

摘要………………………………………………………………………1

一、方案的选择与论证…………………………………………………1

二、理论分析与计算……………………………………………………

三、系统的硬件设计与实现……………………………………………

四、系统的软件设计与实现……………………………………………

五、系统测试……………………………………………………………

参考文献…………………………………………………………………

摘要

该悬挂运动控制系统以单片机STC89C52为控制核心，控制步进电机驱动电路和液晶显示电路的协调工作，实现基本绘图、液晶显示及循迹功能。

根据选题要求，单片机控制两个步进电机（35BYG101）的旋转方式与旋转角度，使电机通过穿过滑轮的吊绳带动绘图笔在绘图板（50cm*50cm）上移动，从而绘制出相应的运动轨迹。

绘图笔在绘图板上的位置坐标由吊绳的长度来确定，再由单片机驱动液晶屏将它显示出来。

本设计的主要特点：

●由矩阵键盘标定的运行方式选择，增加系统的灵活性；

●对画笔实时定位并显示，并由液晶屏显示出来。

●优化的软件算法，智能化的自动控制，定位精确；

●合理的挂笔模型设计，减少了画笔的摩擦，降低了电机的功率损耗；

一、方案的选择与论证

根据题目要求，系统可划分为几个模块，如图1所示：

图1

对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案：

1、核心控制模块

方案一：

FPGA/CPLD方式。

即用FPGA/CPLD完成键盘定义与识别、电机工作状态选择与切换、液晶电路的驱动与控制等功能。

这种方案的优点在于系统结构紧凑、操作方便，而且可以使用的I/O口线很多；缺点是调试时需要接很多接线，过程繁琐，而且使用CPLD时，由于其内部没有ROM，对功能的实现有所限制。

方案二：

单片机方式。

即由单片机、电机驱动电路及电机等组成系统。

使用单片机也可以完成键盘定义与识别、电机工作状选择与切换等功能，组成的系统规模较小，有一定灵活性，而且可以使用我们比较熟悉的单片机最小系统电路板，减少了工作量。

该控制方式需要单片机具有较大的程序存储量，所以可选择存储量为8K的89C52单片机。

基于以上分析，拟选用方案二。

2、电机的选择

方案一：

采用直流电机。

直流电机能实现连续运转，只要型号选择合适，其驱动能力足以使画笔在限定的时间内画出足够长的线。

但直流电机运行时的惯性比较大，不同的运行方式进行切换时，延时较长，画出的的图形不能满

足题目要求。

方案二：

采用步进电机。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响；而且步进电机只有周期性的误差而无累积误差，因而用步进电机来控制位置比用直流电机简单。

基于上述理论分析，拟选择方案二，使用两相四线式步进电机。

3、电机驱动模块

方案一：

用三极管和与门等简单的元器件设计H桥式电机控制电路。

该方案涉及的元器件简单，设计方便，然而其通断速率可能受到元器件反应速率的影响，且不能驱动较大电流的电机。

方案二：

直接采用L298电机驱动芯片对电机驱动，该芯片内含两个H桥式电机驱动电路。

其优点在于驱动电流大，为电机驱动专门设计，工作稳定。

基于以上分析本系统更适合用方案二来提供大电流和高稳定度的驱动和控制。

4、寻迹模块

探测板上黑线的大致原理是：

光线照射到板面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接受到的反射光强弱判断是否偏离黑线。

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：

使用发光二极管和光敏三极管组合。

这种方案的缺点在于其他环境的光源会对光敏二极管产生很大的干扰。

方案三：

使用红外反射式一体化传感器进行检测。

通过对比，这次设计中由于是近距离探测，故采用方案三来完成数据采集。

由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小。

同时红外线系统还具有以下优点：

尺寸小、质量轻，便于安装。

反射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。

用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定可靠。

二、理论分析与计算：

1、电机及其附属装置的参数

步进电机工作在二相四拍方式，步距角θ=1.8度，电机每旋转一圈需要200步。

在电机轴上绕上细线，实测得直径约为0.54cm（忽略吊线旋绕引起的误差）。

由此可知，电机每步所引起的吊线长度变化约为（1.696/200）cm。

以物体坐标运动1cm为步进电机的步进单位。

2、部分软件算法：

（1）直线的画法：

如下图所示

图2

图中各参数的含义如下：

（XnYn）为起点坐标，（XsYs）为终点坐标；△X0、△Y0分别为起点与终点之间的水平距离和竖直距离，将它们同时分成N等分，得△X和△Y；Xnew是起点到左侧牵引线的距离，Ynew是起点到两滑轮连线的距离；Lon是它到左边滑轮的直线距离；（XY）是画线过程的中间处理点，他们的值由下面关系式可知；Lo是（XY）到左边滑轮的直线距离；△Lo为画笔从起点运动到（XY）时左边吊绳的变化长度。

画笔每走一个单位距离，都要计算出△Lo，要根据它的值确定电机的旋转方向和旋转步数。

具体关系如下：

△X0=Xs-Xn

△Y0=Ys-Yn

△X=△X0/N

△Y=△Y0/N

Xnew=Xn+7.7

Ynew=34.5-Yn

Lon=

X=Xn+△X

Y=Yn+△Y

X1=X+7.7

Y1=34.5-Y

Lo=（（X+7.7）2+（34.5-Y）2）1/2

△Lo=Lo–Lon

同理可得右边挂线的△L1，不再叙述。

（2）折线的画法：

由于折线是由若干根直线组成，画折线时只需要多次确定各个直线的起点和终点坐标，且上一条直线的终点是下一条直线的起点。

算法不再另叙。

（3）圆的画法：

本系统的绘制采用直线拟合的方法实现，也就是画圆的内接正多边形，把圆分成多份，每一份用一条直线代替。

因此，圆划分的越细，拟合的精度越高。

经过试验，对圆做80细分后，已经完全可以满足本系统的精度要求，并且曲线相当光滑。

所以本系统采用80细分来绘制圆形，同时，为了避免绘制过程中的累计误差，把整个圆周分为4个等份来绘制，每个等份20细分，并根据测算的圆上下左右四个坐标进行一步修正。

这样，就可以画出更加精确地圆。

如图3所示设每移动一条边圆心角度变化为θ（θ=0.0785）,以点（x1,y1）为起始点，则顺时针运动到第n个点时坐标为：

第一部分：

x1n=x1+（r-rcosθ）

y1n=y1+rsinθ

第二部分：

x2n=x2+rsinθ

y2n=y2-（r-rcosθ）

第三部分：

x3n=x3-（r-rcosθ）

y3n=y3-rsinθ

第四部分：

x4n=x4-rsinθ

图3

y4n=y4+（r-rcosθ）

（4）物体循迹原理

图4

题目要求物体能自动沿白纸上的黑线运动，由于本系统能够实现上、下、左、右、西北、西南、东南、东北8个方向的运动，故采用8个红外对射光电传感器对黑线进行识别。

该8个光电传感器分别固定于八边形重物的8条边上，每条边的长度跟黑线宽度近似相等。

传感器在八边形上的位置标号如图4所示，每

个位置对应于上、下、左、右、西北、西南、东南、东北8个方向中的一个，当某个传感器检测到黑线，物体则沿该传感器对应的方向运动。

程序先对8只传感器进行扫描，将检测到黑线的传感器的方向作为第一次运动的方向，之后就始终以检测到黑线的传感器为中心，不断扫描该传感器及其相邻的两个传感器，并把扫描到黑线的传感器作为下一次运行方向的依据。

例如，当前扫描到传感器1、2、8，当扫描发现检测到黑线的传感器变了，如变成8，就以8为中心，再扫描传感器7、8、1，如此继续。

对每只传感器检测到的黑线，实施相应运行策略，现规定如表1。

表　１　轨迹测量控制表

测到黑线的

传感器编号

下一目标点

位置坐标

测到黑线的

传感器编号

下一目标点

位置坐标

１

（x,y+1）

５

（x,y-1）

２

（x+1,y+1）

６

（x-1,y-1）

３

（x+1,y）

７

（x-1,y）

４

（x+1,y-1）

８

（x-1,y+1）

三、系统的硬件设计与实现

1．显示模块：

电路如图5所示，采用1602液晶显示模块，通过单片机的P0口接上拉电阻输入数据及控制信息给液晶的7-14引脚，如图中的DB0-DB7。

液晶显示模块一方面显示4*4键盘输入的坐标，并且实时显示悬挂物体的所在坐标，方便于检测物体的运动轨迹。

图5

2．寻迹模块：

电路图如图6，采用ST178光电对管，将采集的数据送经过比较器对波形整形后传入单片机的P3口，当光电传感器检测到黑线时，单片机扫描读入的数据是‘1’，否则，单片机读入的数据是‘0’，单片机通过采集的数据判断悬挂物体的位置，从而实时的控制电机的转速和转向，使悬挂物能够寻迹。

图6

3．按键输入模块：

采用4*4键盘，接入P1口，通过单片机扫描读入数据，并将数据传输给液晶显示。

可以随机输入坐标给单片机，也可以通过4*4键盘上的特殊键控制悬挂物进入不同的状态，可以启动它寻迹，画圆，走坐标。

4．电机的驱动模块：

如图7，用L298N作电机的驱动，单片机的P2口输入数据给L298N，L298N控制步进电机的动作。

单片机P2口高4位和低4位分别控制左右两个电机。

图7

5．主控制器的电路设计

图8

单片机STC89C51的P0口传输数据给液晶显示,P3.5接RS（数据/命令选择）脚,P3.6接R/W（读/写选择）脚,P3.7接液晶的E（使能）脚，P1口采集键盘的数据，P1.0-P1.3口接4*4键盘的行,P1.4-P1.7接4*4键盘的列,P2.0-P2.3口控制右边电机，P2.4-P2.7口控制左边电机,P3口光电对管采集的数据。

四、统的软件设计与实现

（1）系统整体程序设计

整体的软件分成五个模块，键盘扫描程序，画直线程序，画圆周程序，寻迹程序，液晶显示程序。

根据键盘输入不同的值单片机执行不同的程序段。

（2）画直线程序设计

画直线程序：

△X是起始坐标和要到达的坐标的横轴之间的距离，△Y是起始坐标和要到达的坐标的纵轴之间的距离，通过二者的比较，获得一个合适的N，即得到一个合理的到达终点所分的小线段的段数（参见前面画直线算法的原理）。

调用N次走短线的程序，完成走直线的任务。

（3）画圆周程序设计

首先计算第一个1/4圆周上各点坐标，再反复调用走短直线的程序走到每个坐标，一直到完成1/4圆弧，之后再以该坐标为参考点，计算出下一1/4圆弧的各点坐标，一直到走完整个圆周，返回。

（4）循迹与断点检测程序设计

五、系统测试

1、电机及其驱动电路

给电机驱动电路施加如图5所示的脉冲信号，使用+12V和+5V的直流稳压电源，电机能够连续旋转。

图9

2、单片机电路

采用KeiluVision2软件和单片机最小系统板仿真。

测试可知，控制系统可以通过键盘设定坐标点参数，并在显示屏上显示。

3、联机测试

（1）“画直线”功能：

设定画笔从点（5，5）运动到（25，30），分两段走：

先从（5，5）到（15，20）,然后再到（25，30）。

开机运行，测得数据如下表（数据均由带两位小数的测量值经四舍五入得到）：

表2直线运动测试

理论坐标

（5，5）

（8.3，10）

（11.7，15）

（15，20）

（20，25）

（25，30）

运行时间

实际坐标

1

（5，5）

（8.4，10）

（12.3，15）

（14.4，20）

（18.2，25）

（24.0，30）

21.19s

2

（5，5）

（8.5，10）

（12.4，15）

（14.4，20）

（18.3，25）

（24.2，30）

21.15s

3

（5，5）

（8.0，10）

（11.4，15）

（14.8，20）

（19.4，25）

（24.0，30）

21.14S

由表中数据可知，不仅“自选动作”功能能够实现，划线的速度也很快，约（32cm/21s）=1.5cm/s。

表3圆周运动测试

（2）“画圆”功能：

设置圆心坐标，开机运行，画笔只能走动约2—3cm。

左顶点/cm

上顶点/cm

右顶点/cm

下顶点/cm

最大偏差/cm

运行时间/s

理论坐标

（0,20）

（15,35）

（30,20）

（15,5）

-

-

第一次

（0，20）

（15，35.9）

（29.2，20）

（15，4.6）

0.9

63.52

第二次

（0，20）

（15，35.4）

（29.5，20）

（15，4.5）

0.5

63.28

第三次

（0，20）

（15，35.7）

（29.5，20）

（15，4.7）

0.7

62.92

五、误差分析

1、拉线延伸性带来的误差

物体从坐标纸的底端，运动到坐标纸的顶端的过程中，两根拉线的夹角越来越大，拉线受到的拉伸力也越来越大，为了减小此误差，应选用弹性小的拉线。

2、电机的绕线半径带来的误差

此误差产生的原因是，随着绕线的增多，拉线将在绕线轴上层叠，这样绕线的外层半径将大于内层半径，为减小此误差，应采用较细的线。

3、安装定位误差

此误差基本上与安装制作工具的精度有关，不可避免，只能尽量减小。

参考文献

1、徐爱钧、彭秀华.单片机高级语言C51Windous环境编程与应用.电子工业出版社，2001

2、全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届—第五届），北京理工大学出版社.2004

3、张毅刚.单片机原理及应用.高等教育出版社，1999

4、吴金戎、沈庆阳、郭廷吉.8051单片机实践与应用.清华大学出版社，2002