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悬挂运动控制系统
悬挂运动控制系统(E题)
摘要:
本设计采用单片机AT89C55作为悬挂运动的检测和控制核心。
采用四只反射式红外传感器检测板上的黑色曲线,控制物体沿黑线运动。
利用可编程器件GAL16V8实现的脉冲分配器和大功率驱动电路L298共同组成步进电机的驱动电路,结合软件控制电机的转向和转速。
基于可靠的硬件设计和稳定精确的软件算法,实现了物体在斜板上作圆周运动、定点运动和画板上标出的任意曲线运动。
LCD320240作为液晶显示界面容量大,显示内容丰富,通过与键盘结合设置坐标点和选择运动方式,并能直观显示画笔所在的位置,具有良好的人机交互功能。
系统增加了由AT89C51控制的无线数据传输功能实现了对系统的远程控制,并采用双口RAMIDT7132将主控制CPUAT89C55和AT89C51进行隔离,保证数据传输的稳定性和可靠性。
关键词:
步进电机,红外检测,双口RAM
Abstract:
Inthisdesign,microcomputerAT89C55wasappliedasthecontrolcenter.Fourreflecting-infraredsensorswereusedtodetectblacklinesandtokeeptheobjectmovingalongtheblackline.Steppingmotors’sturningandrotatingspeedwerecontrolledbythedrivecircuit,whichareconstitutedbyGAL16V8andL298.Basedonthereliablehardwaredesignandtheprecisesoftwarealgorithm,theobjecthassuccessfullyfulfilledcircularmovements,movementsonacertainpointandarbitrarycurvymovementsshownontheboard.Inordertomakethedesignmoreintelligent,LCD320240wasemployedasdisplayinterface,indicatingthelocationofthepaintingbrushintuitionistically.BycombiningthekeyboardandDS1302LCD,thisdesignhasalsoachievedcoordinatepointssettingandmovementmannerselecting.TheadditionalfunctionofradiodatatransmissionwhichiscontrolledbyAT89C51,madeavailablethelong-distancecontrolofthesystem.CPUAT89C55andAT89C51areseparatedbyIDT7132toensuredatastabilityandsecurity.
Keyword:
steppingmotor,reflecting-infraredsensors,dual-portRAM
目录
1.系统方案论证与比较…………………………………………………………………4
1.1设计思路……………………………………………………………………………4
1.2方案选择与论证………………………………………………………………………4
1.2.1总体方案选择与论证…………………………………………………………4
1.2.2各模块方案选择与论证………………………………………………………5
1.2.2.1控制器选择与论证…………………………………………………………5
1.2.2.2电机驱动方案的选择与论证………………………………………………5
1.2.2.3黑线检测方案的选择与论证………………………………………………6
1.2.2.4键盘方案的选择与论证……………………………………………………6
1.2.2.5显示方案的选择和论证……………………………………………………7
1.2.2.6无线数据传输方案的选择与论证…………………………………………7
1.3系统各模块的最终方案……………………………………………………………7
2.系统的硬件设计与实现…………………………………………………………………8
2.1系统硬件的基本组成部分……………………………………………………………8
2.2主要单元电路的设计………………………………………………………………8
2.2.1单片机控制电路…………………………………………………………………8
2.2.2电机驱动电路……………………………………………………………………9
2.2.3黑线检测电路……………………………………………………………………10
2.2.4键盘/显示电路…………………………………………………………………11
2.2.5无线发射接收电路………………………………………………………………12
2.2.6自制电源电路……………………………………………………………………13
3.系统的理论分析与计算…………………………………………………………………14
3.1物体到达设定坐标点过程的理论分析与计算………………………………………14
3.2圆周运动理论分析与计算…………………………………………………………15
3.3黑线检测理论分析…………………………………………………………………17
4.系统的软件设计…………………………………………………………………………18
4.1系统主程序流程图……………………………………………………………………18
4.2键盘子程序………………………………………………………………………20
4.3指定坐标运动子程序………………………………………………………………20
4.4黑线检测子程序……………………………………………………………………20
5.系统测试与分析………………………………………………………………………22
5.1测试仪器…………………………………………………………………………22
5.2测试方案、数据及结果分析……………………………………………………23
5.2.1自行设定运动测试…………………………………………………………23
5.2.2圆周运动测试…………………………………………………………………23
5.2.3指定坐标运动测试……………………………………………………………24
5.2.4黑线检测测试…………………………………………………………………25
6.结束语………………………………………………………………………………25
参考文献…………………………………………………………………………………25
附录1:
主要元器件清单………………………………………………………………26
附录2系统原理图……………………………………………………………………27
附录3系统使用说……………………………………………………………………28
附录4程序清单………………………………………………………………………29
1.系统方案设计与比较
1.1设计思路
题目要求设计一电机控制系统来控制物体在倾斜(仰角≤100°)的板上运动。
根据要求需采用两只电机来控制物体在斜板上的运动方向。
采用传感器检测黑色曲线,使物体能够沿任意给定的曲线运动,运动轨迹偏差≤4cm。
坐标点参数的设定可以通过键盘来实现。
为了提高系统数据的可读性并实现对系统的远程控制,本次设计增加了显示和无线数据传输和控制功能。
1.2方案选择与论证
1.2.1总体方案选择与论证
方案一:
采用步进电机作为控制物体运动的动力源,根据悬挂物体的两段吊绳的长度来调整物体在斜板上的位置,完成作曲线、画圆、寻找坐标点等功能。
利用几何原理分别计算出物体在当前坐标位置和目的坐标位置下两段吊绳的长度,分别比较各段吊绳的变化情况,以此判断电机的转向;并根据变化值的大小确定电机转动的步数,即电机驱动所需的脉冲数,系统控制器根据要求向驱动发出相应的脉冲数,驱动步进电机转过要求的步数,使物体运动到达相应的目标点。
步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力,只要负载不超过步进电机所能提供的动态转矩值,就能使步进电机立即启动或停止。
我们采用常用四相八拍的步进电机转动一圈有800步,转换精度高,正转反转控制灵活。
方案二:
总体设计思想与方案一相似,也是根据吊绳长度来调整物体的坐标位置,采用直流伺服电机控制物体运动。
直流伺服电机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调整范围广;过载能力强,可实现频繁的启动和反转;且伺服电机自带光栅,具有高扫描精度,能精确的检测出电机转过的角度。
但是在方案一的基础上,在物体在运动过程中,绳子与竖直方向的夹角是随物体的运动而变化的,这使伺服电机在牵引物体时其牵引力随物体的位置的改变而改变,其中力的变化和位置的改变是一个非常复杂的函数关系,这要求系统具有高速的数据处理能力,同时对执行系统的驱动电路参数做出迅速改变。
这对于DSP等具有高速数据处理能力的系统来说相对容易,但对于MSC-51系列的单片机来说其要求实现难度较大。
上述两种方案都能实现本次系统的设计要求,而且控制灵活,精度较高,经过仔细地分析讨论,考虑到方案一在数据处理上相对简单,本设计采用方案一。
1.2.2各模块方案选择与论证
1.2.2.1控制器选择与论证
方案一:
采用CPLD(复杂可编程逻辑器件)作为系统的控制器。
CPLD内部各类门电路齐全,可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,减小了体积,提高了稳定度,也可以运用VHDL(超高速硬件描述语言)语言软件来实现,而不必画出各逻辑电路的器件框图。
CPLD采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模的实时系统的控制核心。
由检测模块输出的信号并行输入CPLD,CPLD通过软件程序设计对数据进行处理,并控制各模块的正常工作,而且掉电数据不丢失,但由于CPLD的集成度高,使其成本偏高,同时由于芯片的引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和焊接的工作,若用实验箱的导线来连接,则可靠性不高,也影响美观。
方案二:
采用单片机AT89C55作为系统的控制器。
单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程来实现各种算法和逻辑控制,并且由于其功耗低、体积小、技术熟练和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。
基于以上分析,采用方案二。
由于本次设计中添加了无线数据传输功能,需要对数据进行实时传输,为了保证数据的正常传输,本设计采用双CPU作为控制系统。
两片单片机分别对各模块进行检测和控制,这样减轻了单个CPU的负担,提高了系统的工作效率和稳定性。
1.2.2.2电机驱动方案的选择与论证
电机的驱动电路主要通过控制电机的正转和反转实现物体在斜板上的运动。
对于电机的驱动电路有以下几种方案。
方案一:
采用继电器对电机的开关进行控制,通过控制开关的切换速度实现对电机转速的调整。
该方案的优点是电路较为简单,但是继电器的响应时间长,易损坏,所以不符合高速控制系统且寿命较短,可靠性不高。
方案二:
采用软件法。
按照给定的通电换相顺序,通过单片机的I/O口向驱动芯片电路发出控制脉冲,并通过改变延时的时间来改变输出脉冲的频率,从而实现对步进电机转向和转速的控制。
该方法需要占用大量的CPU时间,难以处理其它任务,降低了CPU的工作效率。
方案三:
采用可编程器件GAL实现脉冲分配。
GAL可采用ABEL语言按照给定的通电换相顺序实现脉冲分配,并向驱动电路发出控制脉冲。
该方案的一个显著特点就是采用软硬件结合的方法,大大减轻了CPU的负担,只有向GAL发出两个控制信号就可实现对电机的控制。
另一个特点就是电路简单,只需两片芯片即可,不需外加任何元件。
基于以上分析,采用方案三。
1.2.2.3黑线检测方案的选择与论证
方案一:
采用光电三极管作为采样传感器。
利用光电三极管的光生伏特效应,利用黑色物体与白色物体对于光线的反射的不同,控制光电三极管的导通与截止,来反映当前传感器正对的是黑线或者是白色的底板。
由于利用自然光容易受环境的干扰,也难适合环境的变化。
同时底板的浅色网格线造成的干扰难以消除或者减弱。
方案二:
采用一体化红外对管作采样传感器。
一体化红外对管,与其他光电传感器具有相同或者相似的工作原理。
但由于其工作在不可见的红外光波段而具有一定的优势。
同时由于红外对管本身带有滤光片,能减少环境光线的干扰。
配合其他措施,甚至可以基本消除环境光线干扰。
图1.1为红外传感器检测框图。
图1.1红外检测框图
基于以上分析,为了提高系统的抗干扰性,本设计采用方案二。
1.2.2.4键盘方案的选择与论证
在该系统中需要通过键盘对坐标点参数进行设置,以实现对物体状态的控制,此处对以下两种方案进行比较。
方案一:
采用单片机AT89C2051与地址译码器74LS138组成控制和扫描系统,并用AT89C2051的串口对主电路的单片机进行通信,这种方案既能很好的控制键盘及显示又为主单片机大大的减少了程序的复杂性,而且具有体积小,价格便宜的特点。
但是该系统所接的按键数目有限,且占用了对应主CPU的串行端口,其应因此用受到限制。
方案二:
采用HD7279,实现对按键的扫描、消除抖动、闪烁等功能。
同时该芯片还可连接多达64键的键盘矩阵,软件编程简单。
用7279和键盘组成的人机控制平台,能够方便的进行控制单片机的输出。
方案一虽然也能很好的实现电路的要求,但考虑到电路设计实际需求和电路整体的性能,采用方案二。
1.2.2.5显示方案的选择和论证
用来实时显示物体中画笔所在位置的坐标,同时也可显示设定坐标点。
方案一:
使用传统的数码管显示。
数码管具有以下优点:
低功耗,低能,寿命长,耐老化,防潮,防晒,防高(低)温,对外界环境要求低,易于维护,同时其精度比较高,精确可靠,操作简单。
但是数码管体积大,显示位数有限,不适用于显示数字信息量大的情况。
方案二:
采用液晶显示屏显示坐标。
液晶显示屏(LCD)具有轻薄短小、低功耗、无辐射危险,平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势,可视面积大,可显示的信息量大,画面效果好,分辨率高,抗干扰能力强等特点。
而且现在很多液晶都自带字符库,程序简单,应用方便。
根据液晶型号的不同,有些液晶还可显示中文和图片。
基于上述分析,考虑到本次设计所要显示的信息量,采用方案二。
1.2.2.6无线数据传输方案的选择与论证
方案一:
采用双向无线数据传输模块。
该模块以通信RF芯片Nrf401为核心,具有通信速率高,功耗低,应用简便等特点,但费用相对较高。
方案二:
采用SP多用途无线发射接收模块。
该模块的频率稳定度高,抗干扰能力强。
同时由于该模块自身辐射极小,可以减少自身振荡的泄露和外界干扰信号的侵入,在小型数据传输终端应用广泛。
比较以上两种方案,考虑到实际经济和应用问题,本次设计选用方案二。
1.3系统各模块的最终方案
经过仔细地分析和论证,选定了系统各模块的最终方案如下:
控制器:
采用单片机AT89C55和AT89C51组成的双CPU控制系统;
电机:
采用两只四相八拍步进电机;
电机驱动:
采用两片GAL16V8和两片L298;
黑线检测:
采用四对红外传感器;
键盘:
采用7279智能显示驱动芯片;
显示:
采用液晶显示屏(LCD)显示;
无线发射/接收:
采用SP多用途无线发射接收模块对;
2.系统的硬件设计与实现
2.1系统硬件的基本组成部分
系统利用红外传感器将检测到的黑线信息转换为可被控制器辨认的电信号,控制器根据这些电信号和键盘发出的信号进行逻辑判断,控制电机转动,实现物体在斜板上的运动。
该系统主要分为以下几个部分电路:
单片机控制电路,电机驱动电路,黑线检测电路,键盘/显示电路,无线数据收发电路,自制电源电路。
系统原理框图如图2.1所示。
图2.1系统原理框图
2.2主要单元电路的设计
2.2.1单片机控制电路
该系统采用AT89C55和AT89C51组成的双CPU控制电路。
其中单片机AT89C55接收从传感器、键盘检测到的电信号和逻辑脉冲信号,并将输入的信号进行运算处理,控制各单元电路。
AT89C51作为数据传输系统,主要控制远程数据传输,以保证数据传输的可靠性。
两片CPU之间用双口RAM连接,起到隔离的作用,减少数据传输的干扰。
控制电路原理图如图2.2所示。
图2.2单片机控制电路原理图
2.2.2电机驱动电路
本次设计选用的步进电机工作在四相八拍方式,驱动电路由GAL16V8和L298组成。
电路原理图如图2.3所示。
图2.3电机驱动电路原理图
其中GAL16V8为可编程器件,采用ABEL语言产生电机四相的控制时序。
由于GAL的OUT端输出电流很小,无法驱动电极运转,所以后级采用L298驱动芯片来放大输出功率而不改变四相的时序状态,从而实现电机的驱动。
当CLK口输入一个脉冲时,电机转动一拍,步角为0.45°,因此可以通过给定脉冲的个数来确定电机转动的角度。
In1端为电机转动方向控制端,为高电平时电机正转;低电平时反转。
由于该系统使用两只步进电机,需要两个如图2.3的驱动电路分别控制各电机,GAL16V8的输入端与单片机相连,由单片机发出控制脉冲信号。
2.2.3黑线检测电路
为了确保对于任意黑色曲线寻迹,本系统采用了四个红外传感器来检测黑线。
在实际使用中将传感器嵌入物体内部,使物体底面与斜面完全接触,基本消除了环境光线的干扰,提高了系统的可靠性。
图2.4为其中一路红外传感器的具体实现电路,其余三路与本路使用同一参考电压UREF,增强系统的对称性,同时也方便电路的调试,简化了电路形式。
该电路检测原理:
光电传感器利用黑线与白线的反射光的强弱做出判断。
当检测到黑线时,传感器接收头收到少量的光线,传感器截止,输出低电平。
当没有检测到黑线时,底面白色反射大量光线,传感器导通,输出高电平。
由于板上有浅色坐标线,也会被传感器到,产生干扰信号。
图2.4红外检测电路原理图
本模块电路采用+5V供电,符合运放+3V—30V的单电源电压要求,红外发光管限制最大电流50mA,导通压降约为1.1V,为取得比较好的使用效果,减少干扰,设定工作电流在10mA左右,选择限流电阻R2:
R2=U/I=4V/10mA=400Ω,实际使用取电阻标称值360Ω。
接收管采用100K精密绕线电阻作为采用电阻,通过调节使传感器工作在最佳状态。
为了减少网格线的干扰,需要调整VREF,采用R3,R5,R6组成分压电路,为有较大的调节范围选取R3,R4,R5分别为:
1.2K,500欧姆,100欧姆。
考虑使用四路完全相同的传感器,本系统采用了由通用4运放LM324组成的过压比较器,输出经过1K的限流电阻和5.1V的稳压管使输出电压被钳制在0V~5V,使输出的高电平更高,低电平更低,对黑线的判断能力更强。
2.2.4键盘/显示电路
由于添加了远程控制部分,本设计采用两块键盘显示电路,键盘部分均采用HD7279来读取按键值,送到单片机处理;系统电路部分采用LCD320*240LCD显示,远程控制电路采用1602LCD显示。
键盘/显示电路主要实现坐标设定、运动方式的选择和显示坐标的设定值和当前值、运动时间等功能。
图2.5为主系统的键盘显示电路原理图。
液晶和7279均采用串行方传输数据,当有键按下时,7279的KEY脚由高电平变为低电平,单片机检测到这一信号后从DATA脚
图2.5主系统键盘显示电路原理图
读取键盘数据,并根据键值做出相应的动作。
该液晶显示屏拥有320*240个点阵,分辨率高,显示界面清晰,信息齐全。
本次设计中将制作多个显示界面,可以通过键盘来选择不同的界面,设置物体的运动状态,具有良好的人机交互功能。
远程控制系统的键盘电路与图2.5相同,液晶选用1602,数据采用并口传输,其显示16×2个字节,不能显示文字和图片。
本系统只需显示设定坐标值,将设定的坐标值发送给主系统控制物体运动。
2.2.5无线发射接收电路
本次设计采用现成的SP多用途无线数据发射接收模块。
图2.6(a)为SP数据发射模块,其工作频率为315M,采用声表谐振器SAW稳频,频率稳定度极高,声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体。
具有较宽的工作电压范围3~12V,当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。
这套模块的特点是发射功率比较大,传输距离比较远,天线最好选用25厘米长的导线,远距离传输时最好能够竖立起来,因为无线电信号传输时受很多因素的影响,所以一般实用距离只有标称距离的一半甚至更少。
该SP数据模块采用ASK方式调制,以降低功耗,当数据信号停止时发射电流为零。
(a)发射模块(b)接收模块
图2.6无线发射接收模块实物图
图2.6(b)为SP数据接收模块,其工作电压为5伏,静态电流4毫安,它为超再生接收电路,接收灵敏度为-105dbm,接收天线最好为25~30厘米的导线,最好能竖立起来。
接收模块本身不带解码集成电路,因此接收电路仅是一种组件,只有应用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用,这种设计有很多优点,它可以和各种解码电路或者单片机配合,设计电路灵活方便。
SP接收模块工作时一般输出的是高电平脉冲,不是直流电平,所以不能用万用表测试,该电路采用一个绿发光二极管串接一个3K的电阻来监测SP模块的输出状态。
当有数据接收到时,绿灯亮,否则为暗。
本设计将发射模块与远程控制系统相连,接收模块与系统主控制系统的AT89C51相连当该系统通过键盘设定坐标点和运动方式后,通过发射模块向主控制系统发送数据;接收模块负责接收这些数据并送给单片机处理。
2.2.6自制电源电路
为了调试方便并保证所用的电源满足系统功率的要求,该系统采用自制电源供电,该电路直接采用电网输入,即将220V、50HZ的交流电直接输入该模块,输出为本系统正常工作所需的三种电压:
+5V,+15V,-15V。
图2.7电源模块电路原理图
电源供电部分电路如图2.7所示。
该部分电路比较简单,不作详述。
要说明的就是由于输出电压需提供较大的电流,所以相应的滤波电容取值较大,均为2200uF。
三端稳压的负载重,功耗大,在工作时温度很高,为了保证其正常工作,需安装散热片。
输出端的三只发光二极管作为指示灯,当电路各端有输出时,对应的指示灯亮。
3.系统的理论分析与计算
3.1物体到达设定坐标点过程的理论分析与计算
该系统采用计算两滑轮到物体吊绳的距离来实现步进电机对物体的运动轨迹的控制,控制实物图如图3.1所示。
选用物体为长方体铁盒,其长(沿y轴方向)为14cm,宽(沿x轴方向)为9cm。
在物体的中心放置画笔,所指的物体坐标就是画笔所在的位置。
设物体中心当前所在的坐标为
则物体上固线处C的坐标为C
。
如图所示滑轮中心到坐标格最左端的水平距离为15cm,则图中两个滑轮、物体和吊绳AB、DE分别构成两个直角三角形ABC、DCE,滑轮半径越小越精
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