3740.悬挂运动控制系统.doc
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1、悬挂运动控制系统摘要:本设计采用一块凌阳单片机SPCE061A作为悬挂物体的控制和检测核心,悬挂物体在倾斜(仰角不大于100度)的板上可以进行任意轨迹的运动,包括直线运动、圆周运动、任意曲线运动等。系统能通过键盘输入自行设定的坐标点参数,物体可根据给定的坐标位置作定点运动和自行设定的曲线运动,在运动的过程中能在板上画出运动轨迹,并能沿任意给定的用黑线标识的曲线轨迹运动。本系统同时具有显示当前物体位置坐标的功能。系统采用反射式光电传感器感知与坐标纸颜色有很大差异的黑色引导线,使用两个步进四相电机,电机驱动采用集成芯片L293D,通过单片机给定的控制信号进行换相,可灵活方便地对步进电机的速度和转向
2、进行控制。关键字:悬挂物体,光电传感器,双步进电机,SPCE061A,L293D 1. 系统设计1.1 设计要求1.1.1 基本要求(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80cm100cm的范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)。 1.1.2 发挥部分(1) 能够显示物体中画笔所在位置的坐标;(2) 控制物体沿板上
3、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1.5cm1.8cm,总长度约50cm,颜色为黑色;曲线的前一部分是连续的,长约30cm;后一部分是两段总长约20cm的间断线段,间断距离不大于1cm;沿连续曲线运动限定在200秒内完成,沿间断曲线运动限定在300秒内完成;(3) 其他。 1.2 总体设计方案1.2.1 系统总体方案悬挂运动控制系统总体方框图如图1.2.1所示。系统包括控制器模块、光电检测模块、电机驱动模块、键盘显示模块四个部分。 图1.2.1悬挂运动控制系统总体方框图 1.2.2 方案论证与比较(1)控制器模块的设计方案论证与选择方案一:采用FPGA(现场可编辑门列阵
4、)作为系统控制器。FPGA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,并且可利用EDA软件进行仿真和调试。FPGA采用并行工作方式,提高了系统的处理速度,常用于大规模实时性要求较高的系统。在本设计中,FPGA的高速处理能力得不到充分发挥。方案二:采用凌阳SPCE061A单片机作为系统控制器。单片机SPCE061A的晶振频率为32.768KHZ,有32K的FLASH,3.3V供电,32位可编程并行I/O口,两个十六位可编程定时/计数器,可以自动设置预设初值,具有运行/睡眠方式下的看门狗维护功能。按照题目要求,控制器主要接收和辨识传感器来的信号,控制两个电机的动作,控制显示物体
5、当前所在位置的坐标值等。综上所述,采用方案二。(2)光电检测模块的设计方案论证与选择光电检测模块可以实现悬挂物体沿着板上标出的黑色曲线运动,且不能偏离轨迹。此时轨迹是一条黑线,周围是浅色坐标纸,可以利用传感器来感知轨迹。方案一:采用光电传感器检测。当光线照射到滑块运动的表面上时会发生反射,由于黑线和白纸的反射系数不同,光电传感器可根据接收到的反射光强弱来判断是否偏离黑线。使用五个集成的反射式光电传感器,一个固定在悬挂物体的中间,其余四个分别位于物体的四边上,中间的传感器可以起到主控作用,引起中断。当物体运动时,若中间传感器的状态没变化,则周围四个传感器的状态变化不会引起运动的变化,而继续原来的
6、运动。只有当中间传感器的状态发生变化时,才看周围的四个传感器是否有状态变化,根据最先变化的传感器来确定物体运动偏离的方向,然后单片机控制电机调整悬挂物体的运动,直至中间的传感器恢复原状态为止。方案二:采用摄像头把板上的信息收集起来再用单片机对其进行分析。此种方法,对信息的处理会很准确,但成本很高,并且要将其装在悬挂物体上,必须要集成化,更增加了软硬件的要求,在短时间内很难做出实物来,所以不大可取。综上所述,选择方案一。(3)电机驱动模块的设计方案论证与选择步进电机是数字控制电机,适合于单片机控制。其驱动电路根据控制信号工作,控制信号控制步进电机的换相顺序、转向和速度。方案一:采用集成芯片L29
7、3D的驱动电路。L293D可以驱动两相或四相步进电机,可以直接用单片机的I/O口提供控制信号,通过L293D控制电机的转向和速度。该驱动电路接线很简单,也很容易控制,使用很方便。一个L293D驱动一个电机的工作,本设计中要用到两个L293D。驱动电路的四个输入引脚分别接单片机的四个I/O端口,当输入脚为高电平时,相应的输出就是高电平,四个输出端口则会驱动四相电机的换相动作。引脚高低电平转化的频率会直接影响电机的转速。高低电平的变化即方波的产生有两种方法,一种是给端口一个高电平并延时一段时间,之后再给一个低电平,这样电机的速度就由延时的时间决定。这种方法比较简单,在实时性要求不高的系统中不失为一
8、种好方法,但本设计中涉及两个电动机,并且两个电动机的速度不一定时时都相等,会出现同一时刻需要两个不同的延时程序的情况,这样系统处理的延时会更大,甚至影响电机的工作。另外一种方法就是用计数器来取代延时程序,给定一个计数值,当计数器溢出时则会响应中断,给相应端口的电平取反。这种方法的延时很小,适用于实时性好的系统。凌阳SPCE061A单片机中已有两个定时计数器:TIMERA和TIMERB,用计数器来实现计数可以充分利用系统的资源。方案二:使用多个功率放大器驱动电机。通过使用不同的放大电路和不同参数的器件,可以达到不同的放大要求,放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相步进电机,就需要对四路信
9、号分别进行放大,由于放大电路很难做到完全一致,当电机的功率较大时运行起来会不稳定,而且电路的制作会比较复杂。综上所述,选择方案一。(4)键盘显示模块的设计方案论证与选择在控制悬挂物体的运动过程中,系统需要按键输入设定物体的坐标值,并显示运动物体的位置坐标值,考虑有三种方案:方案一:使用16位字符型液晶(LCD)显示。液晶显示屏具有低功耗、平面直角显示、影像稳定不闪烁、可视面积大、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等特点。液晶以点阵的模式显示各种符号,需要利用控制芯片创建字符库,编程工作量大。液晶动态显示功能强大,可以实现欢迎信息的显示,并提供了一个友好的用户界面,使系统更加直观,更趋智能化和人
10、性化。直接使用单片机上的三个按键,并与液晶结合就可以实现多项功能。方案二:使用传统的数码管显示及键盘输入。数码管采用BCD编码显示数字,编程容易,硬件电路调试简单。但其显示的信息容量小,功耗较大,而且一般芯片上会有六位数码管,使用时片选信号和段选信号会占用十六个I/O端口,若同时使用键盘输入,单片机端口资源开销太大。方案三:采用以HD7279为核心的键盘显示模块。HD7279是一种具有串行接口,可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片,并可连接多达64按键的键盘矩阵。这样8位数码管显示只需要占用3个接口线,而4个接口线就可驱动8位数码管和64按键的键盘。大大减少了占用的单片机端口数,而且不
11、需要对数码管进行显示控制,节省单片机资源。综上所述,本设计采用了方案一,使用凌阳公司的SPLC501液晶显示。 1.2.3 系统组成经过反复比较与论证,最终确定的系统方框图如图1.2.2所示。 图1.2.2 系统基本框图 2.单元电路设计2.1 光电检测电路的设计题目要求运动物体要沿着划出的黑线运动,但在运动过程中,物体不可避免地会偏离运动轨迹,为了能使物体在偏离后可以自动调整方向,重新回到运动轨迹上,系统需要将物体的运动状态及时地以电信号的形式反馈到控制部分,控制部分控制两个电机的正转或反转,使物体重新回到轨迹上。本设计中共使用五个集成的反射式光电传感器,分别装在物体的中间和四周。当物体向左
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