3740.懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)

1、懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)摘要：本設(shè)計采用一塊凌陽單片機(jī)spce061a作為懸掛物體的控制和檢測核心，懸掛物體在傾斜（仰角不大于100度）的板上可以進(jìn)行任意軌跡的運(yùn)動，包括直線運(yùn)動、圓周運(yùn)動、任意曲線運(yùn)動等。系統(tǒng)能通過鍵盤輸入自行設(shè)定的坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)，物體可根據(jù)給定的坐標(biāo)位置作定點(diǎn)運(yùn)動和自行設(shè)定的曲線運(yùn)動，在運(yùn)動的過程中能在板上畫出運(yùn)動軌跡，并能沿任意給定的用黑線標(biāo)識的曲線軌跡運(yùn)動。本系統(tǒng)同時具有顯示當(dāng)前物體位置坐標(biāo)的功能。系統(tǒng)采用反射式光電傳感器感知與坐標(biāo)紙顏色有很大差異的黑色引導(dǎo)線，使用兩個步進(jìn)四相電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動采用集成芯片l293d，通過單片機(jī)給定的控制信號進(jìn)行換相，可靈活方便地對步進(jìn)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向

2、進(jìn)行控制。關(guān)鍵字：懸掛物體，光電傳感器，雙步進(jìn)電機(jī)，spce061a，l293d 1. 系統(tǒng)設(shè)計1.1 設(shè)計要求1.1.1 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(diǎn)參數(shù)；（2） 控制物體在80cm100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運(yùn)動，運(yùn)動軌跡長度不小于100cm，物體在運(yùn)動時能夠在板上畫出運(yùn)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(yùn)動，限300秒內(nèi)完成；（4） 物體從左下角坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，在150秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個坐標(biāo)點(diǎn)(兩點(diǎn)間直線距離不小于40cm)。 1.1.2 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

3、標(biāo)出的任意曲線運(yùn)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(yùn)動限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運(yùn)動限定在300秒內(nèi)完成；（3） 其他。 1.2 總體設(shè)計方案1.2.1 系統(tǒng)總體方案懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)總體方框圖如圖1.2.1所示。系統(tǒng)包括控制器模塊、光電檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、鍵盤顯示模塊四個部分。 圖1.2.1懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)總體方框圖 1.2.2 方案論證與比較（1）控制器模塊的設(shè)計方案論證與選擇方案一：采用fpga（現(xiàn)場可編輯門列陣

4、）作為系統(tǒng)控制器。fpga可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，集成度高，體積小，穩(wěn)定性好，并且可利用eda軟件進(jìn)行仿真和調(diào)試。fpga采用并行工作方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，常用于大規(guī)模實(shí)時性要求較高的系統(tǒng)。在本設(shè)計中，fpga的高速處理能力得不到充分發(fā)揮。方案二：采用凌陽spce061a單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)spce061a的晶振頻率為32.768khz，有32k的flash，3.3v供電，32位可編程并行i/o口，兩個十六位可編程定時/計數(shù)器，可以自動設(shè)置預(yù)設(shè)初值，具有運(yùn)行/睡眠方式下的看門狗維護(hù)功能。按照題目要求，控制器主要接收和辨識傳感器來的信號，控制兩個電機(jī)的動作，控制顯示物體

5、當(dāng)前所在位置的坐標(biāo)值等。綜上所述，采用方案二。（2）光電檢測模塊的設(shè)計方案論證與選擇光電檢測模塊可以實(shí)現(xiàn)懸掛物體沿著板上標(biāo)出的黑色曲線運(yùn)動，且不能偏離軌跡。此時軌跡是一條黑線，周圍是淺色坐標(biāo)紙，可以利用傳感器來感知軌跡。方案一：采用光電傳感器檢測。當(dāng)光線照射到滑塊運(yùn)動的表面上時會發(fā)生反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，光電傳感器可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來判斷是否偏離黑線。使用五個集成的反射式光電傳感器，一個固定在懸掛物體的中間，其余四個分別位于物體的四邊上，中間的傳感器可以起到主控作用，引起中斷。當(dāng)物體運(yùn)動時，若中間傳感器的狀態(tài)沒變化，則周圍四個傳感器的狀態(tài)變化不會引起運(yùn)動的變化，而繼續(xù)原來的

6、運(yùn)動。只有當(dāng)中間傳感器的狀態(tài)發(fā)生變化時，才看周圍的四個傳感器是否有狀態(tài)變化，根據(jù)最先變化的傳感器來確定物體運(yùn)動偏離的方向，然后單片機(jī)控制電機(jī)調(diào)整懸掛物體的運(yùn)動，直至中間的傳感器恢復(fù)原狀態(tài)為止。方案二：采用攝像頭把板上的信息收集起來再用單片機(jī)對其進(jìn)行分析。此種方法，對信息的處理會很準(zhǔn)確，但成本很高，并且要將其裝在懸掛物體上，必須要集成化，更增加了軟硬件的要求，在短時間內(nèi)很難做出實(shí)物來，所以不大可取。綜上所述，選擇方案一。（3）電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計方案論證與選擇步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，適合于單片機(jī)控制。其驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號控制步進(jìn)電機(jī)的換相順序、轉(zhuǎn)向和速度。方案一：采用集成芯片l29

7、3d的驅(qū)動電路。l293d可以驅(qū)動兩相或四相步進(jìn)電機(jī)，可以直接用單片機(jī)的i/o口提供控制信號，通過l293d控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。該驅(qū)動電路接線很簡單，也很容易控制，使用很方便。一個l293d驅(qū)動一個電機(jī)的工作，本設(shè)計中要用到兩個l293d。驅(qū)動電路的四個輸入引腳分別接單片機(jī)的四個i/o端口，當(dāng)輸入腳為高電平時，相應(yīng)的輸出就是高電平，四個輸出端口則會驅(qū)動四相電機(jī)的換相動作。引腳高低電平轉(zhuǎn)化的頻率會直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速。高低電平的變化即方波的產(chǎn)生有兩種方法，一種是給端口一個高電平并延時一段時間，之后再給一個低電平，這樣電機(jī)的速度就由延時的時間決定。這種方法比較簡單，在實(shí)時性要求不高的系統(tǒng)中不失為一

8、種好方法，但本設(shè)計中涉及兩個電動機(jī)，并且兩個電動機(jī)的速度不一定時時都相等，會出現(xiàn)同一時刻需要兩個不同的延時程序的情況，這樣系統(tǒng)處理的延時會更大，甚至影響電機(jī)的工作。另外一種方法就是用計數(shù)器來取代延時程序，給定一個計數(shù)值，當(dāng)計數(shù)器溢出時則會響應(yīng)中斷，給相應(yīng)端口的電平取反。這種方法的延時很小，適用于實(shí)時性好的系統(tǒng)。凌陽spce061a單片機(jī)中已有兩個定時計數(shù)器:timera和timerb，用計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計數(shù)可以充分利用系統(tǒng)的資源。方案二：使用多個功率放大器驅(qū)動電機(jī)。通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相步進(jìn)電機(jī)，就需要對四路信

9、號分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時運(yùn)行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作會比較復(fù)雜。綜上所述，選擇方案一。(4)鍵盤顯示模塊的設(shè)計方案論證與選擇在控制懸掛物體的運(yùn)動過程中，系統(tǒng)需要按鍵輸入設(shè)定物體的坐標(biāo)值，并顯示運(yùn)動物體的位置坐標(biāo)值，考慮有三種方案：方案一：使用16位字符型液晶（lcd）顯示。液晶顯示屏具有低功耗、平面直角顯示、影像穩(wěn)定不閃爍、可視面積大、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。液晶以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大。液晶動態(tài)顯示功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)歡迎信息的顯示，并提供了一個友好的用戶界面，使系統(tǒng)更加直觀，更趨智能化和人

10、性化。直接使用單片機(jī)上的三個按鍵，并與液晶結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能。方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示及鍵盤輸入。數(shù)碼管采用bcd編碼顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調(diào)試簡單。但其顯示的信息容量小，功耗較大，而且一般芯片上會有六位數(shù)碼管，使用時片選信號和段選信號會占用十六個i/o端口，若同時使用鍵盤輸入，單片機(jī)端口資源開銷太大。方案三：采用以hd7279為核心的鍵盤顯示模塊。hd7279是一種具有串行接口，可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動芯片，并可連接多達(dá)64按鍵的鍵盤矩陣。這樣8位數(shù)碼管顯示只需要占用3個接口線，而4個接口線就可驅(qū)動8位數(shù)碼管和64按鍵的鍵盤。大大減少了占用的單片機(jī)端口數(shù)，而且不

11、需要對數(shù)碼管進(jìn)行顯示控制，節(jié)省單片機(jī)資源。綜上所述，本設(shè)計采用了方案一，使用凌陽公司的splc501液晶顯示。 1.2.3 系統(tǒng)組成經(jīng)過反復(fù)比較與論證，最終確定的系統(tǒng)方框圖如圖1.2.2所示。 圖1.2.2 系統(tǒng)基本框圖 2.單元電路設(shè)計2.1 光電檢測電路的設(shè)計題目要求運(yùn)動物體要沿著劃出的黑線運(yùn)動，但在運(yùn)動過程中，物體不可避免地會偏離運(yùn)動軌跡，為了能使物體在偏離后可以自動調(diào)整方向，重新回到運(yùn)動軌跡上，系統(tǒng)需要將物體的運(yùn)動狀態(tài)及時地以電信號的形式反饋到控制部分，控制部分控制兩個電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使物體重新回到軌跡上。本設(shè)計中共使用五個集成的反射式光電傳感器，分別裝在物體的中間和四周。當(dāng)物體向左

12、偏出軌跡時，中間的傳感器將不被黑線遮蔽，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑矣覀?cè)的傳感器進(jìn)入黑線內(nèi)，輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?。該狀態(tài)變化會引起系統(tǒng)中斷，控制兩個電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，通過控制兩邊線長的變化使物體重新運(yùn)動回軌跡上。具體電路如圖2.2.1所示。集成反射式光電傳感器的電壓驅(qū)動為4.5v-5v。當(dāng)發(fā)射二極管導(dǎo)通時，發(fā)出紅外光線，使接收管的集電極和發(fā)射極間電阻變小，輸出端接一上拉電阻，輸出為低電平。當(dāng)紅外光線照射到黑色線上時，反射光較少，接收管集電極和發(fā)射極間的電阻增大，輸出被上拉電阻拉至高電平。在信號和地之間接一個電容，可以減小電路中的毛刺干擾。 圖2.2.1 光電檢測電路 2.2 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計電

13、機(jī)驅(qū)動電路采用芯片l293d控制，一個芯片可驅(qū)動一個四相步進(jìn)電機(jī)。具體電路如圖2.2.2所示。芯片的4個輸入端接單片機(jī)的4個i/o端口，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。每個端口的高低電平轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)內(nèi)部計數(shù)器的設(shè)置，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖2.2.2 l293d電機(jī)驅(qū)動電路 2.3 控制電路的設(shè)計單片機(jī)接收從傳感器檢測電路輸入的信號，并將輸入的信號進(jìn)行處理運(yùn)算，以控制電流或控制電壓的方式輸出給被控制的單元電路，完成各項(xiàng)任務(wù)要求。單片機(jī)spce061a外接液晶顯示電路、光電檢測電路、電機(jī)驅(qū)動電路。光電傳感器的輸出接單片機(jī)的端口iob2、iob0、iob1、iob8、iob10。其中物體中間的光電傳感器接

14、單片機(jī)的外部中斷口iob2。單片機(jī)的定時器中斷a、b分別調(diào)用步進(jìn)電機(jī)換相子程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的工作。通過傳感器檢測，單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。兩個電機(jī)控制分別由ioa4，ioa5，ioa6，ioa7和iob4，iob5，iob6，iob7輸出。液晶顯示中，數(shù)據(jù)傳輸線輸出接ioa的高八位。三個鍵盤使用ioa0、ioa1、ioa2三個端口。片選信號cs接iob9， ao 接iob11。讀寫控制信號r/w接iob12。ep接iob13。 3. 軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用c語言和匯編語言混合編程，在凌陽unsp ide平臺上完成了單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)設(shè)計功能和指標(biāo)要求。3.1 光電傳感

15、器檢測子程序光電檢測子程序流程圖為圖3.1.1所示： 圖3.1.1 光電檢測子程序 3.2 電機(jī)驅(qū)動子程序四相四拍步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動子程序如圖3.2.1所示： 圖3.2.1 電機(jī)驅(qū)動子程序圖3.2.2 中斷服務(wù)子程序 3.3 鍵盤設(shè)定坐標(biāo)值子程序鍵盤設(shè)定坐標(biāo)值子程序流程圖如圖3.3.1所示。 圖3.3.1鍵盤輸入子程序流程圖 3.4 液晶顯示子程序根據(jù)用戶的選擇執(zhí)行不同的功能（如在菜單中選擇畫圖，則在畫圖菜單中輸入x, y 坐標(biāo)即可）。子程序流程圖如圖3.4.1所示. 圖3.4.1 lcd子程序流程圖 3.5 定點(diǎn)運(yùn)動子程序（從當(dāng)前位置x0,y0移動到任意位置x,y），其設(shè)計思想原理圖如圖所示3.5

16、.1： 圖3.5.1 定點(diǎn)運(yùn)動原理圖 定點(diǎn)運(yùn)動子程序流程圖如圖3.5.2所示 圖3.5.2 定點(diǎn)運(yùn)動子程序流程圖 3.6 系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)主程序流程圖如圖示： 圖3.6.1系統(tǒng)總程序流程圖 4. 系統(tǒng)測試為了確定系統(tǒng)與題目要求的復(fù)合程度，我們對系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了實(shí)際的測試。 4.1 測試儀器測試使用的儀器如表4.1.1所示。 表4.1.1 測試使用的儀器設(shè)備序號 名稱、型號、規(guī)格 數(shù)量 備注 1 雙蹤示波器： 1 2 秒表精度0.01 1 3 uni-t數(shù)字萬用表 1 勝利公司 4 10米卷尺 1 4.2指標(biāo)測試和測試結(jié)果4.2.1 定點(diǎn)運(yùn)動的測試我們最初實(shí)現(xiàn)的是物體在紙板上的定點(diǎn)運(yùn)動

17、，即把物體放在原點(diǎn)處，通過鍵盤輸入物體將要到達(dá)的點(diǎn)的坐標(biāo)值，開啟電源，讓物體開始運(yùn)動。記錄物體從原點(diǎn)到達(dá)目的點(diǎn)所經(jīng)歷的時間和偏差，記錄如下：第一次：輸入坐標(biāo)為(80,100) 歷時時間為10s 偏差為0.5 cm第二次：輸入坐標(biāo)為(70，40) 歷時時間為8s 偏差為0.8 cm第三次：輸入坐標(biāo)為(50,60) 歷時時間為10s 偏差為1.0 cm 在走定點(diǎn)運(yùn)動時我們讓電機(jī)的轉(zhuǎn)速加快，所以速度比較快，時間上比起其它運(yùn)動會短很多，并且準(zhǔn)確率很高。 4.2.2 圓周運(yùn)動部分測試將物體用手放于圓心任意設(shè)定（可通過按鍵輸入圓點(diǎn)坐標(biāo)），半徑為25cm的圓周上，開啟電源，讓物體作圓周運(yùn)動，記錄全程時間，預(yù)

18、期軌跡和運(yùn)動軌跡的偏差。記錄如下：第一次：時間為50s 偏差為0.8cm第二次：時間為 40s 偏差為1.5cm第三次：時間為 45s 偏差為 2.0cm系統(tǒng)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)做圓周運(yùn)動時，物體運(yùn)動所需的時間比較短，且誤差比較小，但隨著多個模塊的累積，物體走圓周運(yùn)動就不如以前好了，偏差比以前明顯大了許多，且圓看起來也不如以前那么平滑了。 4.2.3 光電檢測部分測試反射式光電傳感器的負(fù)載電壓是4.5v-5v，在使用時需要接上拉電阻，以能明顯看到傳感器的狀態(tài)變化為基準(zhǔn)，其上拉電阻為小于10k為好，我們選用的是5k。在檢測時我們需要調(diào)整傳感器離紙板的高度，使其在黑線和白色紙板上反射時能明顯工作于高低電平之間

19、。將傳感器對準(zhǔn)黑線時，傳感器輸出應(yīng)為高電平，當(dāng)將其離開黑線時，受白色坐標(biāo)紙反射，輸出變?yōu)榈碗娖健Ｓ檬静ㄆ鱽碛^察其輸出波形的變化，調(diào)整其高度使其變化最敏感。 4.2.4 沿黑線做連續(xù)曲線運(yùn)動的測試在紙板上任意位置劃一條粗為1.5 cm-1.8 cm的黑線，將物體用手放在黑線的起點(diǎn)，啟動電源，讓物體做沿黑線的運(yùn)動。記錄全過程所耗時間和預(yù)定軌跡和運(yùn)行軌跡的偏差。記錄如下：第一次：曲線長度：30 cm 時間為 1min 偏差為1.0cm第二次：曲線長度：30 cm 時間為 55s 偏差為1.5cm第三次：曲線長度：30 cm 時間為 1min15s 偏差為2.0cm由于技術(shù)不是很精，有時候物體走的路線

20、會偏差很大，一旦偏離黑線很大距離，物體就無法再回到原來的路線繼續(xù)運(yùn)動，而會一直偏下去。 4.2.5 沿黑線做斷續(xù)曲線運(yùn)動的測試在紙板上畫出三條粗為1.5 cm-1.8 cm的黑線，形成兩條間斷距離不大于1cm的間斷線段，物體從連續(xù)黑線運(yùn)動到斷續(xù)處，遇到第一個斷點(diǎn)可斷點(diǎn)順利跨過，繼續(xù)向前運(yùn)動，遇第二個斷點(diǎn)也順利跨過。記錄其時間和誤差如下：第一次：曲線長度：20 cm 時間為 50s 偏差為：1.0cm 第一次：曲線長度：20 cm 時間為 55s 偏差為：1.5cm第一次：曲線長度：20 cm 時間為 1min 偏差為：1.2cm 4.2.6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有：鍵盤輸入坐標(biāo)值；在紙板范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運(yùn)動；做圓心任意設(shè)定的半徑為25 cm的圓