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基于单片机的悬挂运动控制系统

摘要

在现代的日常生产、生活中，基于单片机的悬挂运动控制系统的广泛应用得到普及，涉及到了工厂生产线、航空航天和医疗设备等系统中。

基于单片机的悬挂运动控制系统的重中之重就是悬挂部件的运动精确性，它在各个系统中起到决定性的作用。

但是在实际的生产生活中提高基于单片机的悬挂运动控制系统的精确性具有相当大的难度。

虽然凭借不断改变悬挂部件的绳索长度来控制悬挂部件的运动轨迹的基于单片机的悬挂运动控制系统，在日常生产生活中的各个领域应用十分广泛。

但是由于精确性的严重缺陷，在很多方面基于单片机的悬挂运动控制系统的实用受到严重制约。

基于单片机的悬挂运动控制系统本质上是一电机控制系统，通过电机控制物体在80cm*100cm的范围内作直线、圆、寻迹和任意指定曲线等运动，并且能够在运动的时候显示运动物体的位置坐标。

本设计采用AT89C52单片机作为核心控制器来实现对物体运动轨迹的自动控制，并且通过多圈电位器来实现对物体位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节反馈给单片机对误差进行修正，从而达到对物体的控制和对坐标点的准确定位。

系统采用脉冲宽度调制技术来控制电机驱动L298N，来实现对电机的转速、转向、启停等多种运行状态进行准确的控制。

系统采用红外光电传感器来实时检测电机的速度和画板上的黑色曲线轨迹，从而通过反馈给单片机来来控制物体沿着曲线运动。

关键词：

单片机;运动轨迹；多圈电位器；脉宽调制；红外反射光电传感器；电机

DesignofControlSystemofSuspensionMovementTrackBasedonMCU

Abstract

Inthemoderndailylifeandproduction,wideapplicationofsuspensionmotioncontrolsystembasedonMCUgainedpopularity,whichrelatedtothefactoryproductionline,aerospaceandmedicalequipmentsystem.PriorityamongprioritiesofsuspensionmotioncontrolsystembasedonMCUisthemovementaccuracyofthesuspensionparts,whichplaysadecisiveroleinthevarioussystems.Butintheactualproductionandlife,toimprovetheaccuracyofsuspensionmotioncontrolsystembasedonMCUhasconsiderabledifficulty.AlthoughthesuspensionmotioncontrolsystembasedonSCMwiththechangingtrajectoryofthesuspensioncomponentstocontrolthelengthoftheropesuspensioncomponents,whichinallareasofapplicationindailylifeisveryextensive.becauseoftheseriousdefectsofaccuracy,practicalsuspensionmotioncontrolsystembasedonMCUhaverestrictedinmanyaspects.

Suspensionmotion control isessentiallya motorcontrolsystembasedon theobject, whichthroughthemotorcontrol intherangeof80cm*100cm forastraightline, round, tracingand arbitrarycurve, anditcandisplaythe positioncoordinates ofthemovingobjectsinthemovementtime.ThedesignusesAT89C52microcontrollerasthe corecontroller torealizethe automaticcontrolofthe trajectoryofmovingobjects, andthroughthe multiturnpotentiometer toachieveaccuratemeasurement of thepositionoftheobject, anditintroduceslocalclosed-loopfeedbackcontrollink feedback tothemicrocontroller for errorcorrection, soastoachieveaccuratepositioning controloftheobject andthe coordinatepoint.Thesystem adopts thetechnologyofpulsewidthmodulation tocontrolthemotor drive L298N,inordertoachieve thespeedofmotor, steering, startandstopthe accuratecontrol of therunningstate.Theblack curve systemuses infraredphotoelectricsensor todetect thespeedofthemotorand thedrawingboardandthroughthe feedbacktothemicrocontroller soasto controlthemovementof objects alongacurve.

KEYWORDS:

singlechip;Sporttrajectory；Loopypotentiometer；PWM；Infraredphotosensor；DCMotor

1绪论

1.1论文选题背景及研究意义

悬挂运动控制技术是自动化技术的重要组成部分，是机器人等高技术领域的技术基础，已取得了广泛的工程应用。

悬挂运动控制集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等内容。

自二十世纪八十年代初期至今，运动控制器已经开始在国内外多个行业应用，尤其是在微电子行业的应用。

而刚开始运动控制器在我国的应用规模和行业面很小，国内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品。

在现代的日常生产、生活中，基于单片机的悬挂运动控制系统的广泛应用得到普及，涉及到了工厂生产线、航空航天和医疗设备等系统中。

基于单片机的悬挂运动控制系统的重中之重就是悬挂部件的运动精确性，它在各个系统中起到决定性的作用。

但是在实际的生产生活中提高基于单片机的悬挂运动控制系统的精确性具有相当大的难度

。

虽然凭借不断改变悬挂部件的绳索长度来控制悬挂部件的运动轨迹的基于单片机的悬挂运动控制系统，在日常生产生活中的各个领域应用十分广泛，但是由于精确性的严重缺陷，在很多方面基于单片机的悬挂运动控制系统的实用受到严重制约。

采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统核心控制器，虽然FPGA具有可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好等优点，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。

但是FPGA采用并行工作方式，系统的处理速度很高，常用于大规模实时性要求较高的系统。

所以本系统设计中，FPGA的高速处理能力得不到充分发挥。

故在本次设计中，是以单片机作为控制核心器件。

在本系统设计的基础上还可拓展成基于三线悬挂结构的运动控制装置。

三线悬挂是指，将三根线系于一点并悬挂重物，并且三根缆线分别挂在三个固定滑轮上，由电机驱动的三个绕线电机分别控制其长度，进而控制悬挂重物在三维空间中的位置。

其中原理和悬挂轨迹控制系统有异曲同工之妙。

本设计的研究意义在于，悬挂运动控制系统广泛应用于工业控制、车辆运动、航空航天和医疗设备等系统中，有巨大的实际应用价值。

另外，面对日益能源紧张的现状，研究本设计从而进一步深入了解悬挂运动控制系统，有利于我们合理、经济、高效地利用电能资源。

1.2国内外研究现状

十九世纪八十年代以前，在悬挂运动控制系统领域中只有直流电气传动；十九世纪末，由于出现了交流电机（鼠笼式异步交流电机），所以开始逐步使用交流电气传动；二十世纪三十年代起，产生成了直流调速，交流不调速的格局；二十世纪后期，交流调速逐步兴起，悬挂运动控制系统进入了一个全新的时代。

现在的自动化控制系统中的主导的核心控制器是建立于网络平台的嵌入式结构和开放式结构的通用运动控制器。

运动控制技术的标准是高速度、高精度，对于繁杂的高速实时多轴插、补误差补偿、运动轨迹规划和更加复杂的运动学、动力学计算，可以借助数字信号处理器和现场可编程门阵列技术进行处理，从而系统能够更加开放，进而能够参照不同用户的不同应用需求进行客制化重组，不仅满住了客户的需要，而且大大节省了时间和成本，提高了工作效率。

目前运动控制器从结构上大致分为三大类：

（1）基于计算机标准总线的运动控制器；

（2）Soft型开放式运动控制器，它不仅提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而且硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口；

（3）嵌入式结构运动控制器，这类运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中，能够独立运行。

国外发展现状：

悬挂运动控制技术作为自动化技术的一个重要分支，在二十世纪九十年代，国际上的发达国家已经进入了快速发展阶段。

由于有强劲市场需求的推动，悬挂运动控制技术发展飞速并且应用极为广泛

。

国内发展现状：

我国在运动控制器开发方面相对落后，“八五”期间，我国广大科研工作者开发了两种数控平台和“华中Ⅰ型”、“蓝天Ⅰ型”、“航天Ⅰ型”、“中华Ⅰ型”等四种基本系统。

但从整体来说这些系统是数控系统，不属于独立的开放式运动控制器产品。

我国的自动控制技术还亟待发展。

1.3论文研究的主要内容

本文设计的悬挂运动控制系统是一种电机控制系统,集成了电子技术、电机拖

动、计算机控制技术和单片机技术等。

本系统设计中以单片机为控制核心，由直流电机、驱动电路为执行设备，结合电源模块、4*4键盘及LED显示屏等部分构成的悬挂运动控制系统。

本文算法设计针对线段轨迹的运动的特点，把物块的位移量折算成多圈电位器转动圈数，通过单片机逻辑运算确定物块位移位置进而控制电机拖动物块运动。

对于圆周运动，采用微分曲线直线逼近法的方法来实现。

这种算法首先运算出圆周上各点，再调用定点运动子程序进行执行。

论文详尽论述了悬挂运动控制系统的各个模块方案选择及设计、硬件电路的设计及运动轨迹的控制算法的论证与选择。

通过建立所需运动轨迹曲线的参数方程，简化运动控制模型，进而按照算法对两组驱动步进电机进行控制，最终实现悬挂物体在给定的范围内的定点运动、圆心可任意设定的圆周运动等功能，并且完成了通过人机界面对物体所作运动进行设定，再通过液晶显示屏实时显示画笔所在的坐标值等发挥要求。

2方案论证

2.1系统设计要求

设计一个悬挂运动控制系统，控制物体在倾斜的板上运动（仰角≤100度）。

在一个贴着白纸的底板上固定两个滑轮，两个电机（固定在板的下方两端）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围大致为80cm*100cm，物体形状不限。

物体上必须固定有浅色的画笔，以便物体运动时能在板上留下运动轨迹。

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（也可自己设定），示意如图2.1所示：

图2.1实物示意图

基本要求：

（1）悬挂运动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）悬挂运动控制系统能够控制物体在80cm*100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体运动时能在板上画出轨迹；

（3）悬挂运动控制系统能够控制物体作圆心（可任意设定）、直径为50cm的圆周运动；

（4）悬挂运动控制系统能够控制物体从左下角坐标原点出发，在限定时间内到达设定的一个坐标点（两点间直线距离不小于40cm）

扩展要求:

（1）悬挂运动控制系统能够显示物体中画笔所在位置的坐标；

（2）悬挂运动控制系统能够控制物体沿板上标出的任意曲线运动，曲线需在测试时现场标出，线宽1.5cm-1.8cm，总长度大概为50cm，颜色为黑色，曲线的前一段是连续的，长约30cm，后一段是两段不连续的，总长约20cm，间隔距离不大于1cm，所有控制运动需要在限定时间内完成。

2.2系统方案论证

方案一：

采用FPGA为核心控制器，FPGA的最大特点是灵活，可以实现任意数字电路，FPGA运行速度很快，可以把外部时钟频率和核心频率达到几百兆，FPGA的管脚较多，容易实现大规模系统实现，FPGA内部程序并行运行，能够处理很复杂的逻辑运算，此外，FPGA有大量软核，可以方便进行二次开发。

但是FPGA价格昂贵且难以熟练掌握。

方案二：

采用DSP（数字信号处理器）作为系统的控制器，DSP采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，是程序和数据分别存放在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠，这大大提高了运行速度。

DSP的强大数据处理能力和高运行速度是它的两个最大特色，但是价格昂贵，不利于该系统的使用。

方案三：

采用单片机作为该系统的控制核心,单片机又称微型单片机，它最早被应用于工业领域，它是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、时钟、定时器/计数器。

单片机经济实惠，成本相对较低，并且单片机结构简单，容易理解掌握工作原理，进而编程简单易懂，适合学生设计使用。

根据以上分析及实际考虑，故选择方案三。

系统总体框图如图2.2所示。

图2.2系统整体框图

2.2.1电源部分方案论证

方案一：

所有元器件都采用统一电源。

这样供电虽然比较简单方便，但是由于电动机启动瞬间电流较大，并且给定脉冲信号驱动的电机电流波动比较大，会行成电压不稳、有毛刺等干扰，可能对单片机系统造成严重的干扰，缺点十分明显。

方案二：

采用双电源供电。

将步进电机驱动电源（12V）和单片机的供电电源（5V）分开使用，这样设计可以彻底避免电机驱动所造成的电流波动的干扰，提高了系统运行的稳定性。

基于上述考虑，故选择方案二。

2.2.2电机方案选择论证

方案一：

采用直流电机控制绳子的长度。

直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速）、调速范围宽、低速性能好（起动转矩大、起动电流小）、运行平稳、噪音低等方面

。

方案二：

采用步进电机控制绳子的长度。

步进电机具有控制方法简单、定位精确、无积累误差等特点。

基于上述比较，考虑到悬挂运动控系统对精度的要求，故这里我们采用方案二。

2.2.3驱动及调速方案论证

方案一：

采用DSP芯片控制，配以电机控制所需要的外围驱动电路，通过数控电压源调节电机的运行速度，进而实现控制物体的运动轨迹。

该方案优点是驱动电路体积小、结构紧凑、使用方便、可靠性较高。

但驱动系统软硬件复杂、成本较高。

方案二：

采用内集成有达林顿管组成的H型的功率变换桥电路的L298N驱动芯片。

使用用单片机输出PWM信号进而控制L298N使之工作在占空比可调的开关状态，通过程序调节脉冲占空比精确调整电机转速以及运行时间。

这种电路工作在管子的饱和截止模式下，工作效率非常高，L298N保证了简单实现转速和方向的控制，电子开关的速度很快，稳定性也很强，是一种广泛采用的电机驱动技术

。

方案三：

采用继电器对电机的开关状态进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行控制。

这个方案的优点是电路较简单，实现容易；缺点是继电器的响应速度很慢、机械结构易损坏、寿命较短。

根据上述理论分析和实际情况，故定选择方案二。

2.2.4电机速度采集模块方案论证

方案一：

采用霍尔传感器集成片。

该元器件的内部由三片霍尔金属板构成，当磁铁对着金属板时，由于霍尔效应，金属板会发生横向导通，因此可以在电机上安装磁片，并将霍尔传感器集成片固定在固定轴上，通过对集成片产生的脉冲的计数进行电机速度的检测

。

方案二：

采用对射式光电传感器进行电机速度检测。

其检测方法为：

发射器和接受器相互对射安装，发射器的光直接面对面对准接受器，当测物遮挡住光束时，传感器输出会产生变化以指示被测物被检测到。

通过单片机对脉冲的计数，对速度进行测量。

由于电机的收线轮直径比较小，将传感器安在电机上很容易产生测量误差，故将传感器安在滑轮上可以减少收线引起的误差。

方案三：

采用多圈电位器式传感器间接测量方式来测量电机运转速度。

通过杠杆机构将线位移转化为电阻值的变化，再根据电阻与速度之间的关系进而实现电机速度的检测。

以上三种方案都可行。

尤其是霍尔元件，应用很广泛。

但是方案一和方案二的精度都会有一定限制，要达到本系统设计的要求会给制作带来很大难度。

鉴于此种情况，故应选择方案三多圈电位器更好，远远满足本设计的精度要求。

2.2.5寻迹部分方案论证

方案一：

采用红外反射传感器探测，这种方法是用已调的红外线垂直射到板面，经红外线反射后转换为电平信号送入单片机处理。

这种寻迹方法虽然简单实用，并且成本低廉，在很多的寻迹场合都有使用，但是由于该系统寻迹距离较近，再加上摆放红外反射传感器时不能严格校准和固定，在进行调试时会对系统造成严重的干扰。

方案二：

使用发光二极管和光敏三极管组合来探测黑线。

这种方案的缺点在于周围环境的光源会对光敏二极管产生很大的干扰。

方案三：

采用红外反射式一体化传感器进行检测。

该传感器工作稳定，操作简单，便于使用。

此外，由于红外光波长比可见光长，因此受周围可见光的影响较小。

同时红外反射式一体化传感器还具有以下优点：

尺寸小、质量轻，便于安装。

根据以上分析，这次设计中由于是近距离探测，故采用方案三来完成黑线采集。

2.2.6显示及键盘模块方案论证

2.2.6.1显示模块方案论证

方案一：

采用数码管显示。

虽然数码管显示电路连接比较复杂并且需要另加锁存器对数码管显示的数据进行锁存，甚至还需要一些驱动等外围器件，但是数码管编程简单易懂，并且具有较低的功耗，耐老化和精度高等优点。

此外，数码管仅能显示少数的几个字符，显示的内容很少，基本上不可能显示汉字。

方案二：

采用LCD显示器件。

液晶显示屏（LCD）具有低功耗，辐射小、平面直角显示、影象稳定，可视面积较大，画面效果较好，并且既可显示图形，也可显示汉字，分辨率较高，抗干扰能力很强，显示内容多等优点。

此外，LCD与单片机能够直接相连，电路设计及连接简单

。

该设计不需要显示汉字，且考虑到成本问题，故选择方案一。

2.2.6.2键盘模块方案选择

方案一：

使用无线遥控键盘进行人机交互。

无线遥控键盘操作简单，人机交互时能够在一定范围内易懂，不局限于系统硬件本身所在，比较人性化。

但是考虑到本系统采用的单片机的内存需求和运算能力，以及系统本身对算法的要求较高，运算量大，若采用无线遥控键盘将是单片机的一大负担，甚至运行过程出现程序“跑飞”等不正常现象。

此外成本较高，不值得采用。

方案二：

采用4*4按键组成的键盘。

这种键盘成本低廉，电路简单，键位很多足够系统使用，只需编写扫面程序就可使用，这样能够为单片机对于运动轨迹的运算腾出大量空间和时间，大大提高单片机的运行效率

。

根据以上论述，故采用方案二，在系统中使用4*4键盘。

2.2.7控制方式论证

方案一：

采用开环控制方式。

这种方案的缺点在于不能实时得到被控物体的准确坐标和信息，无法准确地完成系统要求的运动，并且不能及时调整物体的运动。

方案二：

采用闭环控制方式。

这种方案能够实时地反馈被控物体的坐标及执行机构运行状况，使单片机对其有较准确地控制。

受外界干扰也能迅速得到矫正。

根据系统要求，方案二能准确地完成题目要求，故选择方案二。

3硬件电路设计

3.1系统硬件整体结构简介

根据系统设计的要求以及对系统整体要求乃至各个部分的方案论证得到：

本设计是以单片机作为核心控制器，通过驱动控制两台步进电动机的运转，进而实现对被控物体运动轨迹的控制。

由寻迹模块来检测被控物体的运动轨迹于板上的偏差，反馈到单片机控制器。

由单片机经过逻辑运算，从而发出调整控指令。

本设计电源模块采用7805和7812分别作为两个直流电源的稳压芯片，以L298N驱动芯片驱动步进电机工作带动物体转动，用两个多圈电位器来实现电机速度采集，寻迹部分采用4个反射式光电传感器进行探测，显示部分采用7219芯片来驱动六个LED八位数码管进而来显示物块所在的X坐标和Y坐标，键盘模块采用4*4键盘。

系统总体框图如图3.1所示

图3.1系统整体框图

寻找黑线的方法，采用模糊寻找的方法，首先物体从（0，8）坐标点运行到（80，8）坐标点，检测这之间有无黑线。

若没有，则从（80，16）坐标点运行到（0，16）坐标点，再检测这之间有无黑线。

若有，则从（0，12）坐标点运行到（80，12）坐标点，再检测，如果没有检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，14）坐标点运行到（80，14）坐标点。

若检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，10）坐标点运行到（80，10）坐标点，直到当检测到黑线时，停下，此处作为是黑线起点。

如果没有检测到黑线则返回从（80，12）坐标点运行到（0，12）坐标点检测到的黑线作为黑线起点。

以同样的运行检测方法即可找出黑线的起点。

在连续段寻迹时，单片机通过识别四个传感器的16种组合状态，使电机作出相应的正反转动作。

当轨迹为间断线时，电机带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的时候停止。

然后再调用连续段的寻迹程序重复检测。

AT89C52的P0口与4*4键盘相连，P2.0、P2.1、P2.2控制A/Dz转换，P2.3、P2.4、P2.5控制显示模块4个光电传感器与P1.6、P1.7、P2.6、P2.7相连，两个电机的驱动分别由P1.0、P1.1、1.2和P1.3、P1.4、1.5控制。

系统硬件电路连接及资源分配如图3.2所示。

图3.2系统硬件电路连接及资源分配

3.2电源部分电路设计

3.2.17805芯片介绍

H7805芯片系列为3端正稳压集成电路,TO-220封装能够提供多种固定的输出电压，三端分别是输入端、接地端、和输出端，应用范围广。

集成电路内部不仅含有过流、过热保护电路，而且还有调整管保护电路以及过载保护电路，使用时可靠方便，并且价格低廉。

最大输出电流可达到1A，但是必须另加散热片

。

主要特点：

1带散热片的输出电流可达1A

2输出电压有5V

3过热保护

4短路保护

5输出晶体管SOA保护

极限值：

VI——输入电压（VO=5~18V）——35V

RθJC——热阻（结到壳）——5℃/W

TOPR——工作结温范围——0~125℃

RθJA——热阻（结到空气）——65℃/W

TSTG——贮存温度范围——-65~15℃

3.2.2电源部分电路

本设计中采用双电源供电。

将电机供电电源（12V）和单片机的供电电源（5V）完全隔开，可以彻底消除