05年電子設(shè)計(jì)大賽題論文

1、作者：維文博 丁杰 白博 賽前輔導(dǎo)老師：劉遠(yuǎn)聰蘭建平 胡亞琦摘要本懸掛系統(tǒng)是以兩個(gè) AT89C52為核心，用專用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) SJ-220驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控 制坐標(biāo)圖上的筆的位置，通過(guò)兩個(gè)定滑輪配合步進(jìn)電機(jī)，利用控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化繪制出 所需的圖形。利用LCD作為整個(gè)過(guò)程的顯示部分，結(jié)合4X 4的鍵盤輸入，控制畫圖過(guò)程的輸入。一、設(shè)計(jì)方案和論證按照題意，控制系統(tǒng)能夠通過(guò)鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)；控制物體在80cmx 100cm的范圍內(nèi)做自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)， 運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度不小于 100cm,物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠在板上 畫出運(yùn)動(dòng)軌跡，限300s內(nèi)完成；控制物體做圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周

2、運(yùn)動(dòng)，限300s內(nèi)完成；物體從左下角坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，在 150s內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)。在此基礎(chǔ) 上，能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)。考慮到測(cè)量對(duì)象較多，如果使用一個(gè)單片機(jī)，系統(tǒng)資源將非常緊張，難以達(dá)到最佳的控制。因此，采用兩片單片機(jī)，合理分工，分別控制各 模塊的工作。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1對(duì)于各模塊的設(shè)計(jì)，分別討論如下。1. 電動(dòng)機(jī)及其的選擇(1) 電動(dòng)機(jī)的選擇方案一：使用步進(jìn)電機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)在于速度易于控制，可以實(shí)現(xiàn)快速啟停，且轉(zhuǎn)動(dòng)角度嚴(yán)格可控?？梢愿鶕?jù)驅(qū)動(dòng)脈沖電流的次數(shù)計(jì)算小車的行駛距離，省去距離測(cè)量這一環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的功率大，速度可調(diào)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，可以達(dá)到精密控制。方案二：使用直流電機(jī)，

3、用脈沖寬度調(diào)節(jié)方法，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。但此方案的缺點(diǎn)也很明顯，直流電機(jī)動(dòng)起來(lái)慣性大，轉(zhuǎn)速不易控制，很難達(dá)到精確地控制，誤差較大。因此，選擇方案一。(2) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊所用電動(dòng)機(jī)是四相電動(dòng)機(jī)，需要放大4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。方案一：采用4路三極管放大電路驅(qū)動(dòng)，該方案電路復(fù)雜，可靠性難以保證。方案二：采用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)SJ- 220, SJ-220驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)二相混合式步進(jìn)電機(jī)，該驅(qū)動(dòng)器采用原裝進(jìn)口模塊，實(shí)現(xiàn)高頻斬波，恒流驅(qū)動(dòng)，具有很強(qiáng)的抗干擾性、 高頻性能好、起動(dòng)頻率高、控制信號(hào)與內(nèi)部信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電隔離、電流可選、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性好、噪聲小，帶動(dòng) 2A以下所有的42BYG、57BYG、系列步進(jìn)電

4、機(jī)。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、易控制、帶負(fù)載能力強(qiáng)，在單片機(jī)I/O 口的配合下，通過(guò)電平控制的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行?；谏鲜龇治觯x擇方案二。2. 懸掛線的選擇方案一：使用一般的尼龍繩，這種繩子光滑而輕巧，與滑輪之間的摩擦小，結(jié)實(shí)耐用。但是這種繩子從在的一個(gè)缺點(diǎn)就是延展性太大，承載的負(fù)載稍微一大， 就會(huì)被拉長(zhǎng)，所以使用這種繩子，就很難達(dá)到精確的控制畫筆，使誤差變大，甚至超出誤差允許的范圍。方案二：采用常用的釣魚線，這種繩子不僅細(xì)而光滑，與滑輪之間的摩擦小，而且結(jié)實(shí) 耐用、延展性極小，能夠減小實(shí)驗(yàn)中造成的不必要誤差，做到更精確的控制。綜上所述，選擇方案二。3. 坐標(biāo)紙的選擇

5、方案一：采用一般的格子紙，這種紙雖然價(jià)格不高，但是不能重復(fù)利用，試驗(yàn)幾次之后 就得換一張，這樣就會(huì)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。方案二：使用專用的格子紙， 這種紙表面光滑，用過(guò)幾次之后，用濕抹布可以擦去筆跡， 可以再次利用，但是這種紙不僅價(jià)格很高，而且在市場(chǎng)上很難買到。方案三：為了達(dá)到很好的性價(jià)比， 我們采用一般的格子紙和透明的塑料玻璃紙，在格子紙上貼上塑料玻璃紙，這樣就可以達(dá)到反復(fù)利用的目的，不僅節(jié)省而且又耐用。綜合考慮，我們選擇方案三。4. 畫筆的選擇考慮到格子紙表面是光滑的，一般的鉛筆很難在上面留下痕跡，而毛筆的吸水性又不是很好，畫完之后，墨水會(huì)沿著玻璃紙留下來(lái)，所以我們得選擇下水均勻，而且在玻

6、璃紙上能留下痕跡清楚且均勻的筆，所以有以下方案。方案一：采用記號(hào)簽字筆，這種筆在紙上可以留下均勻而流暢的筆跡，是很好的選擇。但是這種筆在剛剛畫完之后，筆跡還可以擦掉，時(shí)間一長(zhǎng)就很難擦干凈了。方案二：使用白板簽字筆，這種筆有著和記號(hào)簽字筆一樣的優(yōu)點(diǎn)，而且這種筆的筆跡隨時(shí)都可以擦掉。綜上所述，我們選擇方案二。5. 電源選擇方案一：所有器件采用單一電源。這樣，供電比較簡(jiǎn)單，但用SJ 220驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)需要的電壓至少也要 18V，而繼電器的電壓要求在 12V左右，這樣的高電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了單 片機(jī)的工作電壓，很難去正常工作。方案二：雙電源供電。將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及其外圍電路電源完全隔離。這樣,可

7、以消除步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)小車完成既定任務(wù)至關(guān)重要，因此，采用方案二。6. 顯示模塊方案一：采用傳統(tǒng)的八位數(shù)碼管（LED）顯示時(shí)間以及距離。方案二：采用點(diǎn)陣式液晶顯示器（LCD）顯示各種相關(guān)信息。以上兩種方案中，方案一編程簡(jiǎn)單，硬件調(diào)試方便，但顯示信息量少，功耗較大；而方 案二的點(diǎn)陣式液晶顯示器屬于低功耗器件，從而使系統(tǒng)更具智能化。因此，選擇方案二。7. 小結(jié)經(jīng)過(guò)仔細(xì)比較和論證， 確定系統(tǒng)各個(gè)模塊的最終方案如下：采用步進(jìn)電機(jī)，并用繼電器配合I/O 口控制電機(jī)；驅(qū)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)SJ-220;懸掛線用釣魚線；畫板采用格子紙和玻璃紙共同使用；畫筆選用黑色的白板

8、筆；電源選用 18v和5v的直流電源；采用點(diǎn)陣式液晶顯示器（LCD）顯示各種相關(guān)信息。二、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與理論分析計(jì)算1. 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選擇模塊采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元器件， 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移的開環(huán) 控制元器件。在費(fèi)超載情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)， 而不受負(fù)載變化的影響，即給電動(dòng)機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電極則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。因此， 步進(jìn)電機(jī)具有快速起、停能力，如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)，而且步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)換精度高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，非常適合定位控制系統(tǒng)。 圖二所示的是步進(jìn)電機(jī)繞阻示意圖。給四相繞阻通電的常用方式

9、為單四拍。控制四相繞阻通電的次序，就能使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，控制通電信號(hào)的頻率，就能控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂茡Q向順序。通電換向這一過(guò)程稱為脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)的單四拍工作方式： 正轉(zhuǎn)時(shí)，其各相通電順序?yàn)?A-B-C-D。通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。如果給定工作方式為正序換相通電，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果 反序通電換相，則電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)。圖三所示的是步進(jìn)電機(jī)四相單四拍工作方式下電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)，繞阻通電的次序。反轉(zhuǎn)圖三步進(jìn)電機(jī)正傳反轉(zhuǎn)繞阻通電順序笆控制步進(jìn)電機(jī)的速度。給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖， 它就轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再發(fā)一個(gè)脈沖, 它會(huì)再轉(zhuǎn)一個(gè)角度。

10、兩個(gè)脈沖的間隔越短， 步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)的越快。 調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻 率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。2. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中單片機(jī) AT89C52根據(jù)案件輸入及傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，控制輸出脈沖個(gè)數(shù)，從而改變兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的輸出角位移，改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。電路主要由三極管9013、三極管8050、互補(bǔ)硅功率達(dá)林頓晶體管 ULN2003和光耦元件組成。其中單片機(jī) I/O 口分別 通過(guò)光電耦合器與驅(qū)動(dòng)電路相連接， 增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。 單片機(jī)通過(guò)I/O 口發(fā)送驅(qū)動(dòng) 控制信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)的速度及正、反轉(zhuǎn)。一個(gè)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖四所示。圖中， L1L4分別為步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組。單

11、片機(jī) 4個(gè)I/O 口分別通過(guò)光電耦合器 V1V4,并經(jīng)三極管 T1T4,達(dá)林頓管T5T8 ,對(duì)各項(xiàng) 予以驅(qū)動(dòng)。圖四 四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3. 顯示模塊液晶顯示器(LCD )具有顯示信息豐富、功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其他顯 示器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于單片機(jī)控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中。LCD分為段位式LCD、字符式LCD和點(diǎn)陣式LCD。其中，段位式LCD和字符式LCD只能用于 字符和數(shù)字的簡(jiǎn)單顯示，不能滿足圖形曲線和漢字顯示的要求；而點(diǎn)陣式LCD不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線和漢字，可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫、分 區(qū)開窗口、反轉(zhuǎn)、閃爍等功能，用途十分廣

12、泛。我們所用的是點(diǎn)陣式液晶顯示器NH12864S o NH12864S是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128 X 64全點(diǎn)陣液晶組成。可完成圖形顯示，也可以顯示八 (16 X 16點(diǎn)陣)漢字。三、軟件算法1. 運(yùn)動(dòng)控制建模和實(shí)際制作的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，如圖五所示。A和B為兩個(gè)固定滑輪的位置，C點(diǎn)為筆的位置，C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡即為物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。系統(tǒng)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的軌跡是直接通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)直接改變a段、b段繩子的長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行的，因此本系統(tǒng)中進(jìn)行了一次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將題目規(guī)定的直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為以a段、b段長(zhǎng)度為變量的坐標(biāo)系，社轉(zhuǎn)化后的坐標(biāo)系稱為拉線坐標(biāo)(a,b)。由圖五所示的

13、幾何關(guān)系，根據(jù)勾股定理可以得出直角坐標(biāo)系(x,y)與拉線坐標(biāo)(a,b)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：a = (15 x)2 - (100 y 15)2=.(15 x)2(115 y)22222(式一)15cm15cmb = (80 x 15)2 (100 y 15)2 = (95 x)2 (1 1 5y)2由 而每一 設(shè)定起始坐標(biāo)為圖五系統(tǒng)模型本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是步進(jìn)電機(jī)，它的轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)速度分別由輸入脈沖及脈沖的頻率控制,于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是以步距角為單位的，因此物體的運(yùn)動(dòng)軌跡是由若干小段組成的，小段都可以用直線或圓弧近似代替。假設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡的每一小段用直線代替，(x,y)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(m,n),則直線的斜率

14、為(式2)k=3m 一 x假設(shè)物體每走一步直角坐標(biāo)的改變量分別為Ax、可， 即運(yùn)動(dòng)到(x + Ax, y + Ay),則此時(shí)物體在拉線坐標(biāo)中各坐標(biāo)軸改變量分別為-a = (15 x -x)2 (115-y -y)2 - ab = ；.;:'(95 x x)2 (115 - y - y)2 - b經(jīng)反復(fù)測(cè)量取平均值得卷絲軸的周長(zhǎng)是10.89cm ,即給步進(jìn)電機(jī)施加每 套00 = 91個(gè)脈10.89沖，卷絲軸就將繞線1cm. o計(jì)算出Aa和Ab后，再通過(guò)計(jì)算控制發(fā)給兩個(gè)電機(jī)的脈沖數(shù)就可以對(duì)兩邊拉線長(zhǎng)度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使物體運(yùn)動(dòng)到指定的位置。2. 軌跡控制原理和插補(bǔ)算法軌跡控制和插補(bǔ)軌跡控制

15、即控制物體按給定的曲線產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的軌跡就是給定的曲線。由于計(jì)算機(jī)處理的是數(shù)字量，在給出控制命令時(shí)，其指令的數(shù)值大小及其在時(shí)間軸上都不可能是連續(xù)的，所以要把這些軌跡分成若干小段，每一小段用直線或圓弧近似代替。軌跡控制的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)控制器每隔一定的距離，給出中間點(diǎn)的坐標(biāo)信息，控制伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照指令要求運(yùn)動(dòng)，從而得到所要求的軌跡。這種根據(jù)指定的數(shù)學(xué)函數(shù)，在理想的軌跡或輪廓上的已知點(diǎn)之間，確定它們中間點(diǎn)的方法就是插補(bǔ)。插補(bǔ)就是根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)，確定理想軌跡上位于已知點(diǎn)之間的點(diǎn)的方法，其實(shí)質(zhì) 是曲線的擬合。對(duì)于插補(bǔ)運(yùn)算有以下的基本要求：插補(bǔ)所需的原始數(shù)據(jù)要盡量??；插補(bǔ)的結(jié)果沒有

16、累計(jì)誤差，局部誤差不差過(guò)允許的誤差，插補(bǔ)曲線要精確的通過(guò)給定的基點(diǎn)； 沿插補(bǔ)路線運(yùn)動(dòng)速度恒定； 路線簡(jiǎn)單可靠；從坐標(biāo)圓點(diǎn)(0,0)開始，根據(jù)橫坐標(biāo)每隔0.5cm確定一個(gè)所畫圖形上的定點(diǎn)(Xi,yi)。當(dāng)畫直線時(shí)，則直線的斜率為k=X，則這條直線上每隔0.5cm的定點(diǎn)的坐標(biāo)依次為(0.5,Xi0.5k), (1, kV- (0.5i, 0.5i - k),通過(guò)確定每次的坐標(biāo)來(lái)完成所要畫的直線。圓弧插補(bǔ)的基本思想是在滿足精度要求的前提下，沿弦或割線進(jìn)性運(yùn)動(dòng)，即用直線逼近圓弧。畫法同畫直線的方法一樣，變化的只是每次的斜率。通過(guò)每次的算法/、2 ,、22(x Xi)(y - yi) = r來(lái)確定每次的坐標(biāo)。四、主控程序流程圖1. 總流程圖六為系統(tǒng)控制的總體流程，控制中主要包括繪制直線、繪制曲線、繪制圓。2. 直線插補(bǔ)程序流程直線插補(bǔ)的程序流程如圖七所示。對(duì)于其他曲線的插補(bǔ)過(guò)程也是類似的，在坐標(biāo)計(jì)算 時(shí)換成相應(yīng)的曲線算法就行了。圖六主程序流程圖五、測(cè)試結(jié)果及結(jié)果分析 1.測(cè)試結(jié)果圖七直線程序流程圖(1)直線測(cè)試如下表所示。頓、目次序時(shí)間/s路程/cm最大偏差/cm12345(2)圓弧測(cè)試如下表示。項(xiàng)目次序 f圓心/坐標(biāo)半徑/cm時(shí)間/s最大偏差/cm2.結(jié)果分析由以上