大学生电子设计竞赛设计报告.docx

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大学生电子设计竞赛设计报告

2005全国大学生电子设计竞赛设计报告

题目名称：

悬挂运动控制系统〔E题〕

第一局部设计要求

悬挂运动控制系统

任务

设计一电机控制系统，控制物体在倾斜〔仰角≤100度〕的板上运动。

在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机〔固定在板上〕通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动X围为80cm×100cm。

物体的形状不限，质量大于100克。

物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。

板上标有间距为1cm的浅色坐标线〔不同于画笔颜色〕，左下角为直角坐标原点。

要求

1．根本要求：

（1）控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；

（2）控制物体在80cm×100cm的X围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成；

（3）控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成；

（4）物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点〔两点间直线距离不小于40cm〕。

2．发挥局部

（1）能够显示物体中画笔所在的位置的坐标；

（2）控制物体沿板上标出的任意曲线运动〔见示意图〕，曲线在测试时现场标出，线宽1.5cm～1.8cm，总长度约为50cm，颜色为黑色；曲线的前一局部时连续的，长约30cm；后一局部是两段总长约20cm的连续线段，连续距离不大于1cm；沿连续曲线运动限定在200秒内完成，沿连续曲线运动限定在300秒内完成；

（3）其他。

第二局部设计报告

摘要

针对题目要求，我们设想使用了“红外传感器〞。

我们还为这个系统安装了“大脑〞——“单片机控制系统〞。

整体以单片机AT89C52作为控制核心，CPLD、电机驱动电路等几局部组成。

电机采用步进电机，准确地对画笔进展定位。

物体先用钥匙串代替。

通过以上努力，终于使我们所挂的钥匙串,可以按我们设定的路线移动。

本设计的主要特色：

（1）控制电路电源，信号通过光电耦合器传输。

（2）优化的软件算法，智能化的自动控制，定位准确。

（3）红外探测提高物体智能化系统。

在试制和调试的过程中遇到了很多问题诸如：

步进电机的驱动程序的选取与调试等，虽然有些功能的实现还不尽人意。

Abstract

Withthedevelopmentofthescience,auto-controlhaswonthemajorityofthemarket,moreover,itissaidthattheauto-machinewilltaketheplaceofthehumanbeingtofulfillthedangerousmissioninthespecifiedcircumstance.Soitwillactasanimportantroleinthefutureoftheworld.

Forthissystem,weselecttheMCU,whichincludeinfraredsensor,lightsensor,magnetosensor,areusedtocontrolthesmallcartorealizetheauto-adaptation、searching、countingandcircumambulating.

Keywords:

MCUsensor

一、设计要求与原理分析

1．机械系统分析：

在题目中要求物体直线移动和圆周运动，根据比赛木板大小，我们选用比拟长的，结实的风筝白绳，考虑到能准确控制钥匙串的走线，电机与滑轮必须保持垂直。

如下图。

2．绳长的分析考虑

我们认为要控制物体的运动方向，最重要的是得出物体移动一格所引起的左右两根绳长的变化，从而控制电机的运转。

因为起点和终点的坐标是可知的，所以在计算两者关系时我们是这样考虑的：

滑轮的半径是的r，假设绳子始终是绷紧的，滑轮是光滑的，因此电机拉动绳子的长度会立刻反响到笔，只考虑从滑轮最高点到物体这一段绳长变化

二、方案论证与系统原理框图

〔一〕传感器的选择与工作方式选取

一、红外探测器的选择与工作方式

1、红外探测器的选择

①主动式红外探测器。

红外探测器以其发射功率大、抗干扰能力强而在工业生产中有着广泛的应用，红外探测器按其工作模式可大致分为主动式与被动式，主动式红外探测器自带红外光源，通过对光源的遮挡、反射、折射等光学手段可以完成对被探测物体位置的判别。

②被动式红外探测器。

探测器本身没有光源，通过承受被探测物体的特征光谱辐射来测量被探测物的位置、温度或进展红外成像。

在本体中我们要利用红外探测器检测黑白两种不同的灰度和障碍物的距离。

显然选用主动式红外传感器比拟适宜，系统的造价可以降低可靠性可以提高。

我们采用主动式红外传感器。

主动式红外传感器又可分为分立元件型、透射遮挡型和反射型〔如图2.1.1示〕，分立元件型发光管与接收管相互独立，用户在使用时可以根据需要灵活的设定发光管与承受管的位置，并可利用棱镜、透镜等完成特殊的目的，缺点是装置麻烦。

透射遮挡型和反射型通过塑料模具将发光管与接收管封装在一起，非常方便用户使用，在此题中“码盘红外探测器〞我们使用透射遮挡型而对黑白灰度和障碍物的检测我们使用反射型。

2、主动式红外探测器的工作方式选取

主动式红外探测器常用的驱动方式可分为直流直接驱动方式和交流调制方式，直流直接驱动方式装置简单但检测距离和抗干扰能力都比拟差；交流调制方式由于可以采用交流耦合方式解决了放大器的直流漂移问题从而可以大大提高检测的距离，同时由于环境光产生的干扰多数情况是信号的直流或低频分量可以由滤波器加以隔绝，因此交流调试方式抗干扰能力也比拟强，缺点是系统相对复杂。

在此题中对轨迹线的检测受到环境光〔特别是200W白炽光源〕的干扰比拟大，因此我们选用抗干扰能力较强的交流调制工作方式；而对黑白灰度的检测由于在钥匙串的底部干扰相对较弱，为简化设计我们选用直流直接驱动方式。

。

〔二〕总控电路的选择

一、单片机的选择

针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，我们需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用根据这些分析我们选定了AT89C52单片机作为本设计的主控装置

二、键盘与显示电路的选择

1．液晶显示：

我们用点阵式液晶显示模块LCD12864。

该LCD模块是由LCD驱动器，LCD控制器，少量电阻电容以及LCD屏组成，质量轻、体积小、功耗低、显示内容丰富，内部含有国标一级、二级简体中文字库。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示。

低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不管硬件电路构造或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于一样点阵的图形液晶模块。

考虑到点阵式液晶显示内容丰富，相比之下，字符式液晶显示就显得苍白，

2、键盘电路选型

我们采用标准的矩阵式4x4键盘电路。

电路图见附录图1。

三、步进电机电源的选择

选择一：

单电源供电。

正负12伏。

这样的一个电源要同时拖动左右两个步进电动机，而且由于电动机启动瞬间电流很大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，时间一长可能造成电源自身烧毁。

缺点比拟明显。

选择二：

双电源供电。

这样可将电动机驱动所造成的干扰完全消除，进一步提高系统稳定性。

我们认为本设计的稳定性更为重要，故拟采用方案二。

将电动机驱动电源与单片机及其周边电路电源完全隔离，这样做法虽然不如单电源方便灵活，但可将电动机驱动所造成的干扰完全消除，进一步提高系统稳定性。

四、步进电机驱动电路的选择

电机是一种重要的能量转换机械，它应用于各个领域发挥着重要作用。

由于本次大赛（E题）要求数字控制，而步进电机和普通电动机不同之处是步进电机承受脉冲信号的控制。

步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。

由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。

因此步进电机成为首选，而历届大赛中由于步进电机的驱动力不够，而导致失败的例子也有。

因此，选择电机的类型就显得至关重要。

所有电机的原理都是基于法拉第电磁感应定律和安培定律。

一般原理为：

采用相应的导磁和导电材料构成能相互转化的磁路和电路。

以产生感应电势和电磁转矩，从而到达转换能量形态的目的。

而步进电机工作性能的优劣，除了取决于步进电机本身的性能因素外，还取决于步进电机驱动电路的选择是否适宜。

因此，步进电机驱动电路的选择至关重要。

方案一：

采用单电压驱动电路。

单一电压型驱动只有一种电压，由电流放大电路、电阻、电感、BJT组成，电路图如图。

在电路串联电阻的两端并联一个电容，以提高瞬时电流上升率。

缺点是由于串联电阻为纯功率消耗元件，且阻值较大，使得该电路功率消耗也很大，效率变低。

电源箱体内的温度升高，然后采取强迫通风，但对系统稳定工作不利。

优点是线路简单,功率元件少,本钱低.但这种方式存在的最大缺陷是在限流电阻上消耗的电能太多。

方案二：

采用上下压驱动电路。

上下压电源型驱动电路是由高压和低压2种电源互相切换进展驱动的,因此,上下压电源型驱动电路又称双电压驱动电路,按切换方式可以分为脉冲变压器式驱动与定时控制驱动.脉冲变压器式驱动电路构造简单,但因为采用脉冲变压器而使制造工艺复杂,本钱高且不易模块化.定时控制上下压驱动电路采用单稳态触发器将控制脉冲别离出一个同步的窄脉冲作为高压有效控制信号.这种方式本钱低,易模块化,而且实验证明上下压驱动方式能够使电流波形得到很大改善,所以使得电机的矩频特性、启动和运行频率都有很大提高。

方案三：

采用恒流斩波电路。

构造如图1—3，我们对此电路经过加速特性和电流的上升、波形曲线分析，恒流斩波电路的加速时间非常短，功耗特别小。

快速响应特别快，功耗相当低。

电流波形不易受电压波动因素影响。

虽然单电压驱动电路性能最差，但电路简单本钱低，用于电感小，额定电流不超过6A驱动。

而上下压驱动电路和恒流斩波电路性能明显提高。

考虑到本次大赛的资金和本钱问题。

我们还是采用方案一。

五、控制画笔运动算法的选择

方案一：

考虑采用插补运算。

（1）直线逐点比拟法插补原理

逐点比拟法就是每移动一步，就进展一次偏差判别，判别物体的实际位置与所要求的位置是否相符，从而决定下一步的前进方向，每一步就需比拟一次。

◎终点判断

当物体到达终点〔Xe,Ye〕时，必须自动停顿进给。

因此，在插补过程中，每走一步，便与终点坐标比拟一次，如果尚未到达终点，就继续进展插补运算；假设已到达终点，那么自动停顿进给。

（2）圆弧逐点比拟法插补原理

圆弧逐点比拟法插补原理和直线插补方法类似，圆弧插补就是根据物体的实际位置在被加工圆弧的里边、外边或者在圆弧上，来确定物体的进给方向。

它的设计步骤也是和直线插补法类似的，即先进展偏差判别，然后确定进给方向，再求出新的偏差值，最后进展终点判断。

圆弧插补也分四个象限，不同象限，其插补的进给方向及判别式不同。

终点判断与直线插补的终点的判断原理类似，在插补过程中，每走一步，便与终点坐标比拟一次，如果尚未到达终点，就继续进展插补运算；假设已到达终点，那么自动停顿进给。

方案二：

逐次逼近算法。

这种算法

但是考虑插补运算的数学模型算法太过复杂〔算法过程就不给出了〕。

相比之下，逐次逼近法的算法较简便。

所以我们决定采用方案二。

〔三〕系统原理

本系统由单片机作为控制核心，控制两台电机的驱动模块，显示模块，红外探测模块、键盘输入模块等几局部组成。

三、硬件电路设计与参数计算

〔一〕红外与光电探测器的驱动电路设计与参数计算

一、直接直流驱动红外探测器电路的设计与参数计算电路如下图：

W1和R1及V1构成简单直流发光二极管驱动电路，调节W1可以改变发光管的发光光强，从而调节探测距离，NE555及其外围元件构成施密特触发器，其触发电平可通过W2控制，接收管V2和电阻R2构成光电检测电路。

通过NE555第3脚输出的TTL电平可以直接驱动单片机I/O口。

二、交流调制驱动红外探测器的设计与参数计算

LM567及其外围芯片构成音频检频器，其检频频率f0由R4、C5决定:

其中，f0为检频频率，当R4=10K，C5=222时

这一振荡信号经过V3扩流后，驱动发光管，仅这样处理后可以保证发光频率与检频频率严格一致使LM567的输出仅与光强有关，为进一步提升探测距离，我们还设立了一级交流放大器，其增益约为240倍，虽然这样大的放大倍数放大器的线性和稳定性会较差，但对于频率检测不会造成太大的影响。

LM567还有一个重要的参数是带宽〔BW〕可由下式计算：

其中，Vi是输入信号有效值，f0是检频频率。

当Vi=50mV,C4=225时，带宽约为10KHz

〔二〕步进电机驱动电路设计与电机运动参数计算

一、步进电机驱动电路设计

如下图，V1、V2、V3、V4构成步进电机驱动电路，电阻R13、R14、R15、R16起限流作用，三极管的基极通过光耦隔离由单片机控制。

系统全部用软件来实现相序的分配,直接输出各相导通或截止的信号。

四相步进电机A、B、C、D各相驱动线路的输入端分别用输出口四位来控制,规定低电平有效。

四相四拍步进电动机的控制数据表如下：

D

C

B

A

励磁状态

1

1

1

0

A

1

1

0

1

B

1

0

1

1

C

0

1

1

1

D

单片机通过循环移位0001来驱动步进电机，左移时正转，右移时反转。

在完成所需角度的转动后，单片机应将四个plus全部置为高位，此时4个三极管全部截止以节省电源开支。

〔三〕显示、键盘装置说明

液晶显示装置尺寸图见附录图3，

四、单片机软件设计

〔一〕移动控制程序流程

主程序：

子程序A子程序B子程序C

子系统A：

：

子系统B：

子系统C：

〔二〕实验结论及存在问题分析

一、实验结论

通过综合运用机、电技术，根本完成了设计要求，发挥局部到达设计要求。

二、存在问题分析

存在的问题主要是：

焊接有误的问题。

分析：

首先，第一次失败后，只有一个电机运作。

我们检查到单片机输给CPLD的时钟脉冲有信号，说明单片机是工作的。

进一步，查看CPLD给步进电机

是否有连续左移或右移的脉冲，我们把步进电机A，B，C，D四个口接上二极管，结果没有环形分配。

最后查看电路发现是我们小系统板上CPLD焊接座的焊接得不好，问题终于找到。

另外，步进电机驱动电路功耗仍较大，须进一步提高电源利用效率。

在为期两个多月的培训和比赛过程中，指导教师给了我们悉心指导。

教师们注重工作方法、工作方向的指导，这使我们的工作能力，实践能力，集体协作能力得到了很大的提高。

在以后的学习`工作中，我们将牢记教师的指导，从实践中不断的完善提高自己。

附录一：

参考文献

[1]胡汉才.单片机原理及接口技术.清华大学，1996

[2]谢剑英.微型计算机控制技术.国防工业，2001

[3]潭灰生.EDA技术与应用.XX电子科技大学，2001

[4]吕惠智.红外技术.XX工程大学，1998

[5]何希才.传感器及其应用电路.电子工业，2001

[6]胡汉才.单片机原理及其接口技术清华大学，1996

[7]X爱钧.单片机高级语言C51wingdows环境编程与应用.电子工业，1998

[8]杨自厚.自动控制原理.冶金工业，1990

[9]朱秉中.数字器件的原理与应用.XX师X大学机电学院，电

子工程系，2003

[10]康华光.电子技术根底.高等教育，2000

[11]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.航空航天大学，1993

附录二：

程序清单

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0100H

MAIN:

LCALLDISP;显示界面

LCALLDELAY1;延时

LOOP:

ACALLKEY;调键盘扫描

CJNER1,#10,BKEY;A键有否按下

LCALLJIANA;有就执行JIANA

BKEY:

CJNER1,#11,CKEY;B键有否按下

LCALLJIANB;有就执行JIANB

CKEY:

CJNER1,#12,LE;C键有否按下

LCALLJIANC;有就执行JIANC

LE:

SJMPLOOP;循环

JIANC:

MOV30H,#00H

MOV31H,#00H

MOV32H,#00H

MOV33H,#00H

MOVSP,#60H

CLRPSB

LCALLDELAY

SETBPSB

LCALLDELAY

MOV,#30H

ACALLWRI

LCALLDELAY

MOV,#0CH

ACALLWRI

LCALLDELAY

MOV,#01H

LCALLWRI

LCALLDELAY

LCALLDELAY

MOV,#06H

ACALLWRI

LCALLDELAY

MOV,#90H

LCALLWRI

LCALLDELAY

MOVDAT,#58H

LCALLWRD

MOVDAT,#20H

LCALLWRD

MOVDAT,#0B7H

LCALLWRD

MOVDAT,#0bdH

LCALLWRD

MOVDAT,#0cfH

LCALLWRD

MOVDAT,#0f2H

LCALLWRD

MOVDAT,#0A3H

LCALLWRD

MOVDAT,#0BAH

LCALLWRD

MOV,#88H

LCALLWRI

LCALLDELAY

MOVDAT,#59H

LCALLWRD

MOVDAT,#20H

LCALLWRD

MOVDAT,#0b7H

LCALLWRD

MOVDAT,#0bdH

LCALLWRD

MOVDAT,#0cfH

LCALLWRD

MOVDAT,#0f2H

LCALLWRD

MOVDAT,#0A3H

LCALLWRD

MOVDAT,#0BAH

LCALLWRD

MOV,#9EH

LCALLWRI

LCALLDELAY

MOVDAT,#0C8H

LCALLWRD

MOVDAT,#0B7H

LCALLWRD

MOVDAT,#0B6H

LCALLWRD

MOVDAT,#0A8H

LCALLWRD

MOV22H,#95H

MOV23H,#96H

MOV24H,#03H

LCALLSCANKEY

MOV30H,#00H

MOV31H,#00H

MOV22H,#8dH

MOV23H,#8eH

LCALLSCANKEY

SCANKEY:

;键盘扫描

MOVR3,#0f7H

MOVR1,#00H

L2:

MOVA,R3

MOVP2,A

MOVA,P2

MOVR4,A

SETBC

MOVR5,#04H

L3:

RLCA

JNCKEYIN;有键按下取键值

INCR1;键值存R1

DJNZR5,L3

MOVA,R3

SETBC

RRCA

MOVR3,A

JCL2

LJMPSCANKEY

KEYIN:

MOVR7,#00H;去除消抖

D2:

MOVR6,#00H

DJNZR6,$

DJNZR7,D2

D3:

MOVA,P2

XRLA,R4

JZD3

MOVA,R1

XCHA,30H

XCHA,31H

DJNZ24H,XIA

XIA:

LJMPDISP1

RET

DISP1:

MOVSP,#60H

CLRPSB

LCALLDELAY

SETBPSB

LCALLDELAY

MOV,#30H

ACALLWRI

LCALLDELAY

MOV,#0CH

ACALLWRI

LCALLDELAY

LCALLDELAY

MOV,#06H

ACALLWRI

LCALLDELAY

MOV,23H

LCALLWRI

LCALLDELAY

MOVA,30H

MOVDPTR,#TABX1

MOVCA,A+DPTR

MOVDAT,A

LCALLWRD

MOVA,30H

MOVDPTR,#TABX11

MOVCA,A+DPTR

MOVDAT,A

LCALLWRD

MOV,22H

LCALLWRI

LCALLDELAY

MOVA,31H

MOVDPTR,#TABX1

MOVCA,A+DPTR

MOVDAT,A

LCALLWRD

MOVA,31H

MOVDPTR,#TABX11

MOVCA,A+DPTR

MOVDAT,A

LCALLWRD

;LCALLKEY

;CJNER7,#13,FANHUI

;JMPK

RET

TABB1:

DB0D6H0B5H0D7H0B1H0D6H

TABB11:

DB0D5H0E3H0F8H0EAH0B5H

TABLE:

DB01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH

TABX1:

DB0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H0A3H

TABX11:

DB0B0H0B1H0B2H0B3H0B4H0B5H0B6H0B7H0B8H0B9H0C1H0C2H0C3H0C4H0C5H0C6H

JIANB:

;画圆

;LCALLDISPW

ST1:

SETBP3.6;电机正转

SETBP3.7;电机反转

MOVR3,#04H;第一段转速比

MOVTMOD,#10H

MOVTL1,#0AH

MOVTH1,#0B0H

SETBTR1

MOVR4,#100

WT1:

CTF1,NT1

AJMPWT1

NT1:

CPLP3.4

MOVTL1,#0AH

MOVTH1,#0B0H

DJNZR3,WT1

CPLP3.5

MOVR3,#04H

DJNZR4,WT1

ST2:

SETBP3.6;第二段

CLRP3.7

MOVR3,#03H

MOVTMOD,#10H

MOVT