懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)論文

1、懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)【摘要】 本系統(tǒng)采用凌陽16位單片機(jī)spce061a作為控制中心，由直流步進(jìn)電機(jī)、紅外收發(fā)對管、4*4鍵盤及中文液晶顯示屏構(gòu)成的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自由控制懸掛物體完成自行設(shè)定運(yùn)動(dòng)、畫圓運(yùn)動(dòng)、沿黑線運(yùn)動(dòng)等，并能正確顯示物體到達(dá)的坐標(biāo)位置?！娟P(guān)鍵詞】spce061a單片機(jī) 中文液晶顯示屏 逼近畫圓算法a control system for suspension movementabstractthis design uses spce061a as the control core to build a suspension movement control system

2、 which consists of a dc step motor, infrared emitting tube, 4x4 keyboard and an lcd display screen for chinese characters. the system can control the suspended objects to complete the movements set by itself, such as drawing the circles, moving along the black lines and doing other movements. it als

3、o can display the correct location of the coordinate where the object reaches. keywords: spce061a single chip， chinese characters lcd， closing algorithm for circle drawing 一、 方案的選擇與論證1、單片機(jī)選擇方案一：采用傳統(tǒng)的8位89c51單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心。51 單片機(jī)具有價(jià)格低廉,使用簡單等特點(diǎn)，但其運(yùn)算速度低，功能單一，ram、rom空間小等缺點(diǎn)。本題目在確定圓周坐標(biāo)值時(shí)，需要進(jìn)行大量的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，若采用89

4、c51需要做ram，rom來擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。方案二:采用16位單片機(jī)spce061a作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心。spce061a具有豐富的資源：ram，rom空間大、指令周期短、運(yùn)算速度快、低功耗、低電壓、可編程音頻處理，易于編寫和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。尤其在復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，其運(yùn)算速度快，精度高，在控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)運(yùn)行速度比一般51單片機(jī)快?；谏鲜龇治觯瑪M選擇方案二。2、電動(dòng)機(jī)選擇方案一：用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)物體的精確定位和方向控制。步進(jìn)電機(jī)是一種脈沖控制電機(jī)，它是一種能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可廣泛用于無需反饋控制但要求有精確位置的場合。方案二：采用帶旋轉(zhuǎn)編碼器控制直流電機(jī)

5、，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，精度可以得到保證。但其驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，在短時(shí)間內(nèi)難與實(shí)現(xiàn)。在本題中因考慮到控制畫筆畫圖準(zhǔn)確性和電路的復(fù)雜性，擬選擇選用方案一，并采用控制性能高的步進(jìn)電機(jī)來控制運(yùn)動(dòng)物體。3、控制物體運(yùn)動(dòng)算法方案一：直線插補(bǔ)法。直線插補(bǔ)法是在繪圖系統(tǒng)中常用的一種逐點(diǎn)比較算法。它的原理是：執(zhí)行機(jī)構(gòu)每走一步，都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行一次比較，看當(dāng)前位置和軌跡位置的關(guān)系，從而確定下一步的進(jìn)給方向。如果當(dāng)前位置在給定軌跡的下方，下一步向給定軌跡的上方走，反之則相反。如果當(dāng)前位置在給定軌跡的里面，下一步向給定軌跡的外面走，反之則相反。這樣走一步看一步，決定下一步走向，形成“逐點(diǎn)比較”, 使走線逼近給定軌跡

6、。方案二：直線簡易算法。這種算法是根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中直線的顯示方法改變而來，基本原理也是“逐點(diǎn)比較”，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)當(dāng)前位置和軌跡位置的關(guān)系，從而確定下一步的進(jìn)給方向，但是數(shù)據(jù)的處理過程不同。在直線插補(bǔ)法中，一次循環(huán)只能確定一個(gè)走向（x向或y向），而在直線簡易算法中，一次循環(huán)可以走兩步，這樣可以大大提高效率。同時(shí)，直線插補(bǔ)法要考慮象限的問題，不同的象限有不同的計(jì)算公式，而直線簡易算法繞開了象限的問題，可以節(jié)省很多代碼。 結(jié)合軟件編程的難易和上面的比較，擬選擇選用方案二。4、黑線探測模塊方案一：采用紅外反射式探測，即用已調(diào)的紅外線垂直射到板面，經(jīng)反射后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入單片機(jī)處理，這是一種很普遍的應(yīng)

7、用，但是它存在著缺點(diǎn)：（1）由于反射距離較短，紅外反射功率小，如果板面的紙凹凸不平或白紙表面有雜物，也會(huì)使單片機(jī)誤判。（2）由于板面的黑線可能是墨水或者膠布，兩種雖然都是黑色，但經(jīng)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)其反光程度均不同，也會(huì)對紅外傳感器造成一定的干擾。方案二：采用多路陣列式光敏電阻組成的光電探測器。因?yàn)楣饷綦娮杼綔y到黑線時(shí)，黑線上方的電阻值發(fā)生變化，經(jīng)過電壓比較器比較將信號(hào)送給單片機(jī)處理，從而控制物體做相應(yīng)的動(dòng)作。光敏電阻對環(huán)境光的識(shí)別，要求考慮外界環(huán)境光的影響，測試時(shí)可能在室內(nèi)或室外，為了消除外界光照強(qiáng)度的干擾，在每個(gè)光敏電阻旁邊加了一個(gè)高亮度發(fā)光二極管，這樣每個(gè)光敏電阻的環(huán)境一樣，即使在黑暗的條件下

8、也可以正常工作。測試結(jié)果表明使用這種方法就可以消除外界光的干擾。 基于上面的討論，選用了抗干擾能力強(qiáng)的方案二。5、顯示方案方案一：采用led數(shù)碼管顯示器。led 數(shù)碼管亮度高，醒目，但是其電路復(fù)雜，占用資源較多，顯示信息量較小。方案二：采用漢字lcd液晶顯示器。lcd有明顯的優(yōu)點(diǎn)：微功耗、尺寸小，超薄輕巧、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適；可以用中文lcd液晶進(jìn)行菜單顯示，使整個(gè)控制系統(tǒng)更加人性化?；谏厦娴谋容^分析和現(xiàn)有的lcd器件，擬選用方案二。二、 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示采用凌陽16位spce061a單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心，進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算、對光電傳

9、感器送來的信號(hào)進(jìn)行處理來控制運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行方向、計(jì)算運(yùn)行物體的坐標(biāo)位置、lcd數(shù)據(jù)顯示、鍵盤控制等。圖 1 系統(tǒng)原理圖2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路具體電路如圖2，該電路采用l298驅(qū)動(dòng)芯片，l298驅(qū)動(dòng)芯片是性能優(yōu)越的小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片之一。它可被用來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或者是一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。在446v的電壓下，可以提供2a的驅(qū)動(dòng)電流。l298還有過熱自動(dòng)關(guān)斷功能，并有反饋電流檢測功能，符合電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需要。由于采用的是步進(jìn)電機(jī)，所以對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)必須是采用脈沖控制。本作品中的控制系統(tǒng)采用5v電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)l298的電源也使用5v?；诜€(wěn)定性考慮，我們運(yùn)用了

10、tlp521光耦集成塊，將主控制部分電源與電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的電源隔離開來，這樣減少電機(jī)對主控制電路的干擾。（2）黑線探測設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)利用該模塊探測板面黑線的原理是：光線照射到板面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，黑線上方的電阻值發(fā)生變化，經(jīng)過電壓比器比較將信號(hào)送給單片機(jī)處理。電路示意圖如圖3：314 21,3為光敏電阻 黑色引導(dǎo)線 2,4為光敏電阻圖3 黑線探測示意圖本電路（如圖3）利用光敏電阻在不同的光照的條件下電阻變化的原理。根據(jù)第幾路的光敏檢測到黑線來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。將光敏電阻分為前、后、左和右四個(gè)方向，設(shè)計(jì)為+字形。 采用一組兩個(gè)探測頭，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)探測頭的誤判時(shí)，可以通過軟件禁止物體

11、跑出軌跡。當(dāng)探測頭1檢測到黑線時(shí)，物體左走，同時(shí)禁止物體右轉(zhuǎn)防止跑出黑線，直到中間的探測頭2或探測頭4再次檢測到黑線證明物體已經(jīng)回到黑線上才向前走，這樣就可以保證物體不會(huì)跑出黑線。在試驗(yàn)時(shí)采用的電路如圖4。圖4 黑線探測原理圖由于在正常狀態(tài)下每個(gè)光敏電阻感光量相同,通過調(diào)節(jié)電位器，使得電壓比較器輸出為零，當(dāng)內(nèi)側(cè)（黑線兩側(cè)）的光敏電阻進(jìn)入黑色引導(dǎo)帶時(shí)，感光量大大改變，電壓比較器翻轉(zhuǎn)電壓為高電平。將電平變化送到單片機(jī)控制物體的調(diào)整方向。用這種方法即使板面受到不同程度的光照射，比較器正向輸入端和反向輸入端的變化值相等，比較器輸出端不變。只有黑色引導(dǎo)線進(jìn)入內(nèi)側(cè)一組光敏電阻區(qū)域才能引起感光量大大改變，比

12、較器才翻轉(zhuǎn)，這種方法抗干擾能力強(qiáng)。（3）紅外線無線控制臺(tái)電路的設(shè)計(jì)采用紅外線無線通信可以對運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并傳輸物體的坐標(biāo)位置到遠(yuǎn)處的控制臺(tái)顯示。發(fā)射電路如圖5示，由ne555構(gòu)成無穩(wěn)多諧振蕩器，其振蕩頻率由電阻w1、r1和c3決定，通過調(diào)節(jié)w1可以改變振蕩頻率，使輸出頻率為38khz。t作為單片機(jī)的串口輸出端，當(dāng)t為高電平時(shí)，t1截止，t2、t3沒有振蕩頻率。當(dāng)t為低電平， t1導(dǎo)通，這樣38khz就可以對t出來的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過t2、t3后級(jí)電流放大去控制紅外線發(fā)射管。紅外線的接收電路直接采用彩色電視機(jī)的一體化接收頭，達(dá)到預(yù)期效果。圖 5 紅外無線控制臺(tái)原理圖（4）語音播

13、放電路通過spy0030功率放大器，驅(qū)動(dòng)喇叭，完成對物體運(yùn)行時(shí)間的語音播放（圖6）圖 6 語音播放電路 （5）顯示模塊采用漢字液晶顯示屏作為顯示模塊，同時(shí)使用4*4鍵盤操作，以菜單形式進(jìn)行顯示。顯示設(shè)定位置值、當(dāng)前位置值。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及數(shù)學(xué)運(yùn)算（1）系統(tǒng)主程序流程框圖（圖7）圖7 主程序流程圖（2）物體位置控制部分圖 8 物體位置示意圖1、坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算將畫筆所在的位置設(shè)定為整個(gè)物體的位置。如圖8設(shè)定物體位置的初值坐標(biāo)為（x,y）l1=l2=設(shè)電機(jī)a 的步進(jìn)為a cm, 電機(jī)b的步進(jìn)為b cm，物體高度為h cm。如圖8為物體在畫板某一位置，則有：解得x軸點(diǎn)位置和h為 則y軸點(diǎn)位置y=1

14、15-h控制物體從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)就是當(dāng)x、y已知條件，求電機(jī)的步進(jìn)過程。由圖8 解得：解得 （cm） （cm）由此，利用軟件實(shí)現(xiàn)以上算法來分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)a，b，這樣就可以向控制系統(tǒng)輸入起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)讓物體在畫板置任意行走。因此物體可以由自行設(shè)定的兩點(diǎn)坐標(biāo)走直線。也可以將曲線分為多點(diǎn)坐標(biāo)，采用直線逼近法走曲線。 2、多邊形逼近畫圓實(shí)現(xiàn)畫圓算法一個(gè)正多邊形，當(dāng)其邊數(shù)n足夠大，即每邊所對的圓心角足夠小時(shí)，就非常接近一個(gè)圓。這樣，畫圓的問題就變成畫多邊形、畫直線的問題了，只要確定n和角的大小，多邊形頂點(diǎn)的坐標(biāo)位置，就可以繞開煩瑣的象限問題，直接利用上面的畫線的簡易算法來實(shí)現(xiàn)畫圓。1

15、）、n和角的大小的確定在用正多邊形逼近一個(gè)圓時(shí)，假設(shè)多邊形的各個(gè)頂點(diǎn)落在圓周外側(cè)，而各邊中點(diǎn)落在圓周內(nèi)側(cè)，并假設(shè)它們偏離圓周的絕對誤差均為，如圖9所示，只要0.5，則邊線與弧線的差別就可以忽略。圖9中，r為圓半徑，正多邊形的邊數(shù)n與每邊所對圓心角的關(guān)系為n=2/ 根據(jù)圖2-2-2的幾何關(guān)系，不難得到 （r+）-（r+）cos(/2)=2 （1）一般遠(yuǎn)小于1弧度，cos(/2)1-（）2/8，故上式可簡化為：圖9 正多邊形逼近圓示意圖（r+）（）2/8=2 （2）由式1和式2解得：n=0.50.5 （3）若取0.5，代入式（3）可得 n2.5當(dāng)圓心為（m,n）時(shí)，將圓分成360份，假設(shè)物體走到第

16、 份時(shí)，以圓心為原點(diǎn)，物體的坐標(biāo)(x,y) 計(jì)算為 的角度 物體的位置 求得物體的坐標(biāo)位置后在利用以上坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算得出來的結(jié)果控制物體在兩點(diǎn)坐標(biāo)間走直線。多邊形的邊數(shù)n的值越大，畫出來的圓精度就越高。2）、多邊形逼近法畫圓流程框圖在上面的討論中，知道了多邊形的邊數(shù)n的值和多邊形頂點(diǎn)坐標(biāo)的推導(dǎo)方法，這樣可以利用畫直線的簡易算法用線段來完成圓。以圓心在（x1,y1），起點(diǎn)在（x1-r,y1），順時(shí)針方向畫圓流程圖如下圖10。轉(zhuǎn)換成相對坐標(biāo)圖10 多邊形逼近法畫圓流程圖t=t+1結(jié)束yn調(diào)用畫線的簡易算法xi+1=axi-byiyi+1=bxi+ayi t=0計(jì)算遞推公式系數(shù)a=(1-（）2/2

17、) b=(-（）3/6)計(jì)算多邊形的邊數(shù)和圓心角n=int(r/4)+6（或int(r/16)+23）=2/n開始t=n?待添加的隱藏文字內(nèi)容1由于在直線的簡易算法處理過程中，起點(diǎn)為坐標(biāo)（x1-r,y1）。所以在多邊行逼近中，每畫一條直線，都要把坐標(biāo)平移把起點(diǎn)xi和yi放到起點(diǎn)，再調(diào)用直線簡易算法。這種方法簡單易行，在直線簡易算法的基礎(chǔ)上經(jīng)過簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算處理，多次畫線就可以實(shí)現(xiàn)畫圓，相比較圓弧插補(bǔ)法，多邊形逼近法程序代碼少，可以大大節(jié)省內(nèi)存空間；程序流程簡單，容易編寫調(diào)試；運(yùn)行速度也相對圓弧插補(bǔ)法有較大提高。3）、軟件編程軟件編程使用凌陽unsp ide 1.8.4平臺(tái)，該平臺(tái)集程序的編輯、

18、編譯、鏈接、調(diào)試和仿真等功能為一體，可以使用c語言和匯編語言混合編程，編譯效率高，在線調(diào)試方便。具體程序略。3、實(shí)際測試（1）測試設(shè)備模擬行使路線：示意圖見試題（e題）卷尺：精度0.01m秒表：精度0.01s坐標(biāo)紙采用噴塑坐標(biāo)紙（調(diào)試中易于擦洗無用的畫筆軌跡）（2）走自行運(yùn)動(dòng)實(shí)際測量結(jié)果第一次走實(shí)際測量結(jié)果：到達(dá)目的坐標(biāo)，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.7cm，運(yùn)行時(shí)間為124秒。第二次走實(shí)際測量結(jié)果：離達(dá)目的坐標(biāo)1.3 cm，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.4cm，運(yùn)行時(shí)間為131秒。第三次走實(shí)際測量結(jié)果：離達(dá)目的坐標(biāo)1.1 cm，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.3cm，運(yùn)行時(shí)間

19、為147秒。第四次走實(shí)際測量結(jié)果：離達(dá)目的坐標(biāo)1.5 cm，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.1cm，運(yùn)行時(shí)間為118秒。第五次走實(shí)際測量結(jié)果：離達(dá)目的坐標(biāo)0.8 cm，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.3cm，運(yùn)行時(shí)間為138秒。第六次走實(shí)際測量結(jié)果：離達(dá)目的坐標(biāo)1.4 cm，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.9cm，運(yùn)行時(shí)間為128秒。六次運(yùn)行物體離達(dá)目的坐標(biāo)最大誤差為1.5 cm，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.9cm。平均運(yùn)行時(shí)間約為130秒。達(dá)到了預(yù)期的效果。（3）畫圓實(shí)際測量結(jié)果畫圓測試結(jié)果如下表第一次畫圓以(40,50)為圓心，對圓周進(jìn)行8個(gè)點(diǎn)采樣圓上的坐標(biāo)物體實(shí)際坐標(biāo)

20、(15,50)（17,50）(22,68)(23.8,69.7)(40,75)(40,74) (58,68)(56.5,66)(65,50)(64,50.4)(58,32)(59.3,31)(40,25)(40,24.2)(22,32)(23.4,32.7)最大誤差為1.8cm，運(yùn)行時(shí)間為225秒，畫筆曲線接近圓。第二次畫圓以(40,50)為圓心，對圓周進(jìn)行8個(gè)點(diǎn)采樣圓上的坐標(biāo)物體實(shí)際坐標(biāo)(15,50)（15.5,50.6）(22,68)(21.9,69.4)(40,75)(40.5,74) (58,68)(58.3,66.7)(65,50)(64.8,50.2)(58,32)(59.1,34

21、.2)(40,25)(40.6,24.5)(22,32)(23.5,32.4)最大誤差為2.2cm，運(yùn)行時(shí)間為224秒畫，畫筆曲線接近圓。第三次畫圓以(40,50)為圓心，對圓周進(jìn)行8個(gè)點(diǎn)采樣圓上的坐標(biāo)物體實(shí)際坐標(biāo)(15,50)（15,50.6）(22,68)(22.2,69.4)(40,75)(38.5,74.1) (58,68)(56.6,66.7)(65,50)(65.8,51.7)(58,32)(59.3,31.1)(40,25)(39.6,24.5)(22,32)(22.5,32.7)最大誤差為1.7cm，運(yùn)行時(shí)間為221秒，畫筆曲線接近圓。三次畫圓，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差

22、2.2cm，平均運(yùn)行時(shí)間約為224秒，達(dá)到了預(yù)期的效果。（4）走黑線實(shí)際測量結(jié)果第一次走黑線走完連續(xù)線段，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差1.8cm，連續(xù)線段運(yùn)行時(shí)間為95秒。第二次走黑線走完連續(xù)線段，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差2.3cm，連續(xù)線段運(yùn)行時(shí)間為98秒。第三次走黑線走完連續(xù)線段，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差1.6cm，連續(xù)線段運(yùn)行時(shí)間為101秒。第四次走黑線走完連續(xù)線段，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差0.9cm，連續(xù)線段運(yùn)行時(shí)間為94秒。第五次走黑線走完連續(xù)線段，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差2.2cm。走過第一個(gè)斷點(diǎn)，走斷續(xù)線段運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差2.5cm，連續(xù)線段運(yùn)行時(shí)間為95秒，第一個(gè)間斷線段運(yùn)行時(shí)間為45秒。第六次走黑線走完連續(xù)線段，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差1.5cm。走過第一個(gè)斷點(diǎn)，走斷續(xù)線段運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差2.1cm，連續(xù)線段運(yùn)行時(shí)間為97秒，第一個(gè)間斷線段運(yùn)行時(shí)間為54秒。第七次走黑線走完連續(xù)線段，運(yùn)動(dòng)