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

12、偏出轨迹时，中间的传感器将不被黑线遮蔽，输出由高电平变为低电平，且右侧的传感器进入黑线内，输出由低电平变为高电平。该状态变化会引起系统中断，控制两个电机正转或反转，通过控制两边线长的变化使物体重新运动回轨迹上。具体电路如图2.2.1所示。集成反射式光电传感器的电压驱动为4.5V-5V。当发射二极管导通时，发出红外光线，使接收管的集电极和发射极间电阻变小，输出端接一上拉电阻，输出为低电平。当红外光线照射到黑色线上时，反射光较少，接收管集电极和发射极间的电阻增大，输出被上拉电阻拉至高电平。在信号和地之间接一个电容，可以减小电路中的毛刺干扰。 图2.2.1 光电检测电路 2.2 电机驱动电路的设计电

13、机驱动电路采用芯片L293D控制，一个芯片可驱动一个四相步进电机。具体电路如图2.2.2所示。芯片的4个输入端接单片机的4个I/O端口，控制电机的转向和速度。每个端口的高低电平转换，通过单片机内部计数器的设置，以控制电机的转速。 图2.2.2 L293D电机驱动电路 2.3 控制电路的设计单片机接收从传感器检测电路输入的信号，并将输入的信号进行处理运算，以控制电流或控制电压的方式输出给被控制的单元电路，完成各项任务要求。单片机SPCE061A外接液晶显示电路、光电检测电路、电机驱动电路。光电传感器的输出接单片机的端口IOB2、IOB0、IOB1、IOB8、IOB10。其中物体中间的光电传感器接

14、单片机的外部中断口IOB2。单片机的定时器中断A、B分别调用步进电机换相子程序实现步进电机驱动电路的工作。通过传感器检测，单片机控制电机的转向和转速。两个电机控制分别由IOA4，IOA5，IOA6，IOA7和IOB4，IOB5，IOB6，IOB7输出。液晶显示中，数据传输线输出接IOA的高八位。三个键盘使用IOA0、IOA1、IOA2三个端口。片选信号CS接IOB9， AO 接IOB11。读写控制信号R/W接IOB12。EP接IOB13。 3. 软件设计系统的软件设计采用c语言和汇编语言混合编程，在凌阳unSP IDE平台上完成了单片机系统的开发，实现了各项设计功能和指标要求。3.1 光电传感

15、器检测子程序光电检测子程序流程图为图3.1.1所示： 图3.1.1 光电检测子程序 3.2 电机驱动子程序四相四拍步进电机驱动子程序如图3.2.1所示： 图3.2.1 电机驱动子程序图3.2.2 中断服务子程序 3.3 键盘设定坐标值子程序键盘设定坐标值子程序流程图如图3.3.1所示。 图3.3.1键盘输入子程序流程图 3.4 液晶显示子程序根据用户的选择执行不同的功能（如在菜单中选择画图，则在画图菜单中输入X, Y 坐标即可）。子程序流程图如图3.4.1所示. 图3.4.1 LCD子程序流程图 3.5 定点运动子程序（从当前位置x0,y0移动到任意位置x,y），其设计思想原理图如图所示3.5

16、.1： 图3.5.1 定点运动原理图 定点运动子程序流程图如图3.5.2所示 图3.5.2 定点运动子程序流程图 3.6 系统主程序流程图系统主程序流程图如图示： 图3.6.1系统总程序流程图 4. 系统测试为了确定系统与题目要求的复合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试。 4.1 测试仪器测试使用的仪器如表4.1.1所示。 表4.1.1 测试使用的仪器设备序号 名称、型号、规格 数量 备注 1 双踪示波器： 1 2 秒表精度0.01 1 3 UNI-T数字万用表 1 胜利公司 4 10米卷尺 1 4.2指标测试和测试结果4.2.1 定点运动的测试我们最初实现的是物体在纸板上的定点运动

17、，即把物体放在原点处，通过键盘输入物体将要到达的点的坐标值，开启电源，让物体开始运动。记录物体从原点到达目的点所经历的时间和偏差，记录如下：第一次：输入坐标为(80,100) 历时时间为10s 偏差为0.5 cm第二次：输入坐标为(70，40) 历时时间为8s 偏差为0.8 cm第三次：输入坐标为(50,60) 历时时间为10s 偏差为1.0 cm 在走定点运动时我们让电机的转速加快，所以速度比较快，时间上比起其它运动会短很多，并且准确率很高。 4.2.2 圆周运动部分测试将物体用手放于圆心任意设定（可通过按键输入圆点坐标），半径为25cm的圆周上，开启电源，让物体作圆周运动，记录全程时间，预

18、期轨迹和运动轨迹的偏差。记录如下：第一次：时间为50s 偏差为0.8cm第二次：时间为 40s 偏差为1.5cm第三次：时间为 45s 偏差为 2.0cm系统单独实现做圆周运动时，物体运动所需的时间比较短，且误差比较小，但随着多个模块的累积，物体走圆周运动就不如以前好了，偏差比以前明显大了许多，且圆看起来也不如以前那么平滑了。 4.2.3 光电检测部分测试反射式光电传感器的负载电压是4.5V-5V，在使用时需要接上拉电阻，以能明显看到传感器的状态变化为基准，其上拉电阻为小于10k为好，我们选用的是5k。在检测时我们需要调整传感器离纸板的高度，使其在黑线和白色纸板上反射时能明显工作于高低电平之间

19、。将传感器对准黑线时，传感器输出应为高电平，当将其离开黑线时，受白色坐标纸反射，输出变为低电平。用示波器来观察其输出波形的变化，调整其高度使其变化最敏感。 4.2.4 沿黑线做连续曲线运动的测试在纸板上任意位置划一条粗为1.5 cm-1.8 cm的黑线，将物体用手放在黑线的起点，启动电源，让物体做沿黑线的运动。记录全过程所耗时间和预定轨迹和运行轨迹的偏差。记录如下：第一次：曲线长度：30 cm 时间为 1min 偏差为1.0cm第二次：曲线长度：30 cm 时间为 55s 偏差为1.5cm第三次：曲线长度：30 cm 时间为 1min15s 偏差为2.0cm由于技术不是很精，有时候物体走的路线

20、会偏差很大，一旦偏离黑线很大距离，物体就无法再回到原来的路线继续运动，而会一直偏下去。 4.2.5 沿黑线做断续曲线运动的测试在纸板上画出三条粗为1.5 cm-1.8 cm的黑线，形成两条间断距离不大于1cm的间断线段，物体从连续黑线运动到断续处，遇到第一个断点可断点顺利跨过，继续向前运动，遇第二个断点也顺利跨过。记录其时间和误差如下：第一次：曲线长度：20 cm 时间为 50s 偏差为：1.0cm 第一次：曲线长度：20 cm 时间为 55s 偏差为：1.5cm第一次：曲线长度：20 cm 时间为 1min 偏差为：1.2cm 4.2.6 系统实现的功能系统实现的功能有：键盘输入坐标值；在纸

21、板范围内作自行设定的运动；做圆心任意设定的半径为25 cm的圆周运动；从左下角原点出发，到达任意设定的坐标点；显示物体中画笔位置；沿黑线做断续运动； 4.3 结论经过对系统的定点运动、圆周运动、光电检测、沿黑线做连续曲线运动、沿黑线做断续曲线运动等的测试，本设计很好地达到了设计和制作要求。 5. 结语本系统以单片机芯片为核心部件，可以控制按键来设置物体的坐标值，物体可以做自行设定的运动，和圆心任意设定的圆周运动，基本功能完全实现。同时利用光电检测技术并配合一套独特的软件算法实现了运动物体的跟踪黑线运动，电机的方向和速度控制，液晶显示，最终完成了竞赛题目中要求的各项任务。在设计过程中，力求硬件线

22、路简单，充分发挥软件在编程方面灵活的特点，来满足系统设计的要求。但由于时间有限，系统还存在一些误差，存在很多有待改进的地方。在竞赛的过程中，我们遇到了许多突发性的不太好解决的问题，也曾有过对自己没有信心的时候，但经过仔细冷静地思考之后，我们还是以最快的时间调整自我回归参赛状态，继续进行设计。通过这次比赛，我们深深的体会到了团队间的共同协作的重要性，提高了自己的动手能力和解决问题的能力。 6、参考文献1 全国大学生电子设计竞赛组委会.第六届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2003）.北京：北京理工大学出版社，2005年2 黄智伟，王彦，陈文光，朱卫华.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京：电子工业出版社，2005年3 王松武，于鑫，武思军.电子创新设计与实践.北京：国防工业出版社，20054 薛钧义，张彦斌，虞鹤松，樊波. 凌阳十六位单片机原理及应用.北京：北京航天航空大学出版，2003年