重慶大學(xué)本科學(xué)生電子設(shè)計大賽暑期培訓(xùn)

1、重慶大學(xué)本科學(xué)生電子設(shè)計大賽暑期培訓(xùn)懸掛運動控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 生：潘耘昊 劉紅梅 羅森學(xué) 號： 指導(dǎo)教師：徐奇?zhèn)?陸帥 助理指導(dǎo)教師：陳陽明 專 業(yè)：電氣工程與自動化重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院二O一三年七月摘 要本懸掛控制系統(tǒng)為一個電機控制系統(tǒng),控制物體在傾斜（仰角100度）的板子上運動,控制物體能夠在80cm*100cm的范圍內(nèi)做直線、圓以及尋跡等運動，通過液晶顯示顯示屏顯示物體運動時的坐標(biāo).在設(shè)計時,采用DSPF28335作為核心控制器件，采用57BYG007-4型步進(jìn)電機和高細(xì)分步進(jìn)電機驅(qū)動器SM-60作為動力裝置，采用紅外反射式光電傳感器實現(xiàn)畫板上黑色線尋跡檢測，顯示部分用液晶顯示模塊LCD1

2、602實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：懸掛系統(tǒng)，步進(jìn)電機，紅外反射式光電傳感器，數(shù)字信號處理器1. 設(shè)計重訴1.1 任務(wù)要求設(shè)計一電機控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜（仰角100度）的板上運動。在一白色底板上固定兩個滑輪，兩只電機（固定在板上）通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運動，運動范圍為80cm100cm。物體的形狀不限，質(zhì)量大于100克。物體上固定有淺色畫筆，以便運動時能在板上畫出運動軌跡。板上標(biāo)有間距為1cm的淺色坐標(biāo)線（不同于畫筆顏色），左下角為直角坐標(biāo)原點,示意圖如下。1.2 基本要求（1）控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點參數(shù)；（2）控制物體在80cm100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運動，運動軌

3、跡長度不小于100cm，物體在運動時能夠在板上畫出運動軌跡，限300秒內(nèi)完成；（3）控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運動，限300秒內(nèi)完成；（4）物體從左下角坐標(biāo)原點出發(fā)，在150秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個坐標(biāo)點(兩點間直線距離不小于40cm)。1.3 發(fā)揮部分（1）能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)；（2）控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運動(見示意圖)，曲線在測試時現(xiàn)場標(biāo)出，線寬1.5cm1.8cm，總長度約50cm，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，長約30cm；后一部分是兩段總長約20cm的間斷線段，間斷距離不大于1cm；沿連續(xù)曲線運動限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運動限定在300

4、秒內(nèi)完成；2. 方案論證2.1 系統(tǒng)模板2.2 控制模塊控制模塊采用單片機方式，即由單片機、電機驅(qū)動電路以及電機組成等組成系統(tǒng)，可以完成鍵盤定義與識別、電機工作狀態(tài)選擇與切換等功能,組成系統(tǒng)小且靈活性較好。2.3 電機驅(qū)動模塊電機驅(qū)動模塊是本系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，用與控制懸掛物體的運動。方案1 ： 可以采用普通小型直流電機。普通小型直流電機由于其自身結(jié)構(gòu)的限制，控制精度很低，無法達(dá)到系統(tǒng)要求的指標(biāo)。方案2 ：可采用專用步進(jìn)電機驅(qū)動器及其配套的步進(jìn)電機?？刂凭?、效率以及可靠度都很高。故本設(shè)計采用方案2。2.4 曲線跟蹤模塊方案1 ： 采用多路陣列式光敏電阻組成的光電探測器。因為光敏電阻探測到黑線的時

5、候，黑線上方的電阻值會相應(yīng)的發(fā)生改變，經(jīng)過電壓比較器比較將信號傳送給單片機處理，從而控制物體做相應(yīng)的動作。但由于光敏電阻對環(huán)境光的識別，容易受到外界環(huán)境光的影響而不宜采用。方案2 ：采用紅外放射式探測，即用已調(diào)的紅外線垂直射到板面，經(jīng)過放射后轉(zhuǎn)換為電信號送入到單片機處理。由于使用的是紅外線，不受外界自然光的影響，而尋跡效果比較好。故本設(shè)計采用方案2.2.5 顯示模塊方案1 ：采用LED數(shù)碼管顯示器。LED數(shù)碼管高度高，醒目，電路復(fù)雜并且信息量較小，動態(tài)掃描需要占用大量單片機時間，實時顯示困難；方案2 ：采用漢字LCD液晶顯示屏:LCD微功耗、尺寸小、輕巧、信息顯示量大。故本設(shè)計采用方案2.2.

6、6 位置傳感模塊位置傳感模塊用于實現(xiàn)“顯示畫筆位置”的功能。方案1 ：在物體上安裝水平和垂直方向的兩只激光筆，在板邊緣每條坐標(biāo)線旁邊安裝一光電傳感器，物體坐標(biāo)所在處的傳感器接受到激光筆，即可確定物體的位置；方案2 ：采用軟件的方法確定物體位置。單片機控制物體從某個已知的坐標(biāo)位置出發(fā)，并且記錄步進(jìn)電機的每一次移動情況，就可以通過一定的算法計算出物體的位置。由于考慮到硬件的復(fù)雜程度本設(shè)計采用方案2.2.7 鍵盤輸入模塊此模塊采用的是4*4矩陣鍵盤實現(xiàn)數(shù)字的輸入和功能選擇，即即插型按鍵可以鍵入0-9的數(shù)字，可以確定點的坐標(biāo)值以及實現(xiàn)清楚、確定等功能。對應(yīng)按鍵：789F1456F2123F3清除0確認(rèn)

7、F42.8 電源模塊電源模塊：由于電路在多數(shù)情況下都需要直流電源供電，而電力部分提供的市電是50HZ的交流點，所以需要將交流點經(jīng)過整流，變成單脈沖電流，再通過濾波電路去掉脈沖的成分，變成所需的直流電源，為了提供的穩(wěn)定的電流，所以濾波的電流后還需要經(jīng)過穩(wěn)壓措施給系統(tǒng)提供所需的相應(yīng)的穩(wěn)定的直流電源。2.9 總電路模塊圖2.10 點到點不限定軌跡運動方案1 ：起點和終點一旦確定，其相應(yīng)的繩長的變化就可以確定，可直接計算出電機座需要的脈沖數(shù)，并通過單片機提供脈沖，使得畫筆達(dá)到目的點。方案2 ：將所有的情況都分段進(jìn)行運行，使得軌跡分段做近似直線運動，該方法時間增加，編程麻煩?？紤]到時間問題，故本設(shè)計采用

8、方案1.2.11 直徑為50cm的圓周運動方案1 ： 一般查表法。將圓上的均勻采集的數(shù)據(jù)點儲存于表哥中供程序調(diào)用。方案2 ：數(shù)學(xué)建模法。運用數(shù)學(xué)方法，運用幾何知識（極坐標(biāo)）把圓上的點和兩個電機所在的位置聯(lián)系起來，通過相關(guān)計算把圓上的點的坐標(biāo)用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來，并轉(zhuǎn)換成電機需要轉(zhuǎn)動的偏移量，最后把偏移量轉(zhuǎn)化為電機所要轉(zhuǎn)的速度。考慮到方案1代碼序量很大，而且隨著采集點的增加和精度的提高，代碼太大，程序的修改很麻煩，而相對方案2 雖然計算復(fù)雜，但是數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，并且精度比較高，所以采用了方案2.2.12 直線運動方案1 ：計算斜率，用斜率直接乘以分段長度，但是若斜率過大，數(shù)據(jù)會溢出，斜率過小，會有

9、較大的舍入誤差，計算精度不高。并且計算出的脈沖誤差很大，積累的誤差導(dǎo)致運動達(dá)不到要求。方案2 ：比較整個直線長度，比較軸線分量，取大值等分，用同樣的等份數(shù)等分小值。本設(shè)計采用方案2.3. 軟件及算法實現(xiàn)（1.代碼是自動生成還是手打）3.1 物體位置的計算3.1.1 點對點的計算如圖所示：將畫筆所在的位置設(shè)定為整個物體的位置，設(shè)物體初始位置的初值坐標(biāo)為(x0,y0)，根據(jù)上圖有：當(dāng)物體在A點時：同理對于物體在B點時：故當(dāng)懸掛物從A點運動到B點時：電機A的收放線長度為c，（當(dāng)c 0，電機反轉(zhuǎn)，拉線收縮）；電機B的收放線長度為d,（當(dāng)d 0，電機反轉(zhuǎn)，拉線收縮）；則根據(jù)步進(jìn)電機的工作原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_環(huán)控制元步進(jìn)電機件，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，則根據(jù)所需的收放線長度來