2005年電子大賽二等獎凌陽SPCE061A 懸掛運動控制系統(tǒng)江蘇大學張壽龍?zhí)镎讐沮w生祿

1、總體設(shè)計方案的硬件連接圖如圖2.2所示。懸掛運動控制系統(tǒng)（6）作者：江蘇大學張壽龍?zhí)镎讐沮w生祿來源:凌陽科技教育推廣中心錄入：隨風字A摘要：本系統(tǒng)以凌陽SPCE061A單片機為控制核心，采用 L298芯片作為兩只步進電機的驅(qū)動模塊,利用1X4鍵盤完成對相關(guān)參數(shù)的設(shè)定， 采用液晶顯示器顯示參數(shù)信息，采用1個反射式光電傳感器來檢測 板上所標黑線的位置；使用了一套精確的軟件算法，有效地實現(xiàn)了兩路電機的配合轉(zhuǎn)動，使得懸掛物體能 夠按照幾種不同的設(shè)定路徑準確移動，完成題目的各項要求。一、方案論證1、單片機的選擇方案一：采用89C51單片機實現(xiàn)，單片機軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。

2、51單片機在線操作不易掌握,但是89C51需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器來滿足數(shù)據(jù)采樣，硬件電路相對復雜。另外, 需要用仿真器來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為繁瑣。方案二：采用凌陽SPCE061A單片機實現(xiàn)，該單片機內(nèi)部資源豐富，集成了 A/D, D/A，易于數(shù)據(jù)的采集, 同時由于其在線仿真技術(shù)，軟硬件調(diào)試方便，對于電子設(shè)計競賽這種時間緊，任務(wù)多的開發(fā)來說是極為有 利的?；谏鲜龇治?，我們擬選擇方案二。2、電機的選擇方案一：采用直流 電機控制 懸掛物體的運動，直流電機力量大，能獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動速度快, 但由于存在機械觸點，直流電機容易產(chǎn)生噪聲，而且單獨使用時不能完成位置控制，需要配以傳感器才能 控制定位。方案

3、二：采用步進 電機控制懸掛物體的準確運動，步進電機不需要使用傳感器就能精確定位，而且通 過給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動，定距運動較精確。雖然步進電機不能高速轉(zhuǎn)動，但根據(jù)題目要 求的時間和移動距離，步進電機完全能夠符合要求，是該種要求下廣泛使用的一種電機?；谏鲜隼碚摲治?，我們擬選擇方案二。3、黑線檢測模塊選擇檢測板上黑線的基本原理是：光線照射到板上并反射，由于黑線和白紙的反系數(shù)不同，根據(jù)接收到的 反射光強弱判斷是否黑線。方案一：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射-接收電路。這種方案的缺點在于其他環(huán)境光源會 對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判，即

4、使是采用超高亮 發(fā)光二極管可以降低一定的干擾，但這將增加額外的功率損耗。方案二：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器。采用帶有交流分量的調(diào)制信號，可以大幅的減少環(huán)境光 源的直流分量的干擾，但由于該紅外發(fā)射管的最大工作電流取決于平均電流，該最大電流需要通過調(diào)節(jié)占 空比來調(diào)節(jié)；而且需要添加額外的電路和程序，本題中并不需要很大的電流，故不需要采用該管子。方案三：不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以有效的降低環(huán)境 光源的干擾，尺寸小、質(zhì)量輕、靈敏度高，對輔助裝置的要求最少，對人眼無傷害，采用不調(diào)制的反射式 紅外發(fā)射-接收器完全可以有效的降低干擾，而且方便可行，能夠準確的實施

5、檢測?；谏鲜隹紤]，我們決定采用方案三。4、電源的選擇方案一：所有器件都采用單一電源。這樣供電雖然比較簡單，但是由于電動機啟動瞬間電流很大，而 且給定脈沖信號驅(qū)動的電機電流波動較大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，對單片機系統(tǒng)造成嚴重的干 擾，缺點十分明顯。方案二：雙電源供電。將電機驅(qū)動電源（12V）和單片機的供電電源（5V）完全隔開，這樣設(shè)計可以徹 底消除電機驅(qū)動所造成的干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于上述考慮，所以我們選擇方案二。5、顯示的選擇方案一：用LED數(shù)碼管顯示設(shè)定的坐標，本題中只需要六只LED數(shù)碼管進行動態(tài)顯示即可以顯示X軸 和Y軸的坐標，優(yōu)點是接口簡單，易于控制，缺點是只能用于比較

6、簡單的數(shù)字顯示。方案二：用LCD液晶顯示器顯示，優(yōu)點是能顯示更多的字符，有著良好的人機界面，缺點是控制比較 復雜。由于凌陽SP CE061A單片機有著豐富的硬件資源，加上現(xiàn)代社會的發(fā)展對人機界面的要求越來越高。基于上述考慮，所以我們選擇方案二。二、詳細軟硬件設(shè)計根據(jù)題目要求和上述論證，本系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2.1。LCD顯示器圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖硬件連接圖2.21、硬件設(shè)計 (1 )單片機最小系統(tǒng)由凌陽單片機SP CE061A及鍵盤和LCD顯示器組成。SP CE061A是凌陽科技推出的一款16位結(jié)構(gòu)的 叮nSP系列微控制器。SPCE061A里內(nèi)嵌32K字的閃存(Flash )，較高的處理速度使

7、叮nSP能夠非常容易地、快速地處理復雜的數(shù)字信號。SP CE061A單片機內(nèi)置8路ADC 2路DAC且集成開發(fā)環(huán)境中，配有很多語音播放API函數(shù)，用SPCE061A實現(xiàn)語音播放極為方便。另外，該芯片內(nèi)置在線仿真、編程接口，可以方便實現(xiàn)在線調(diào)試。考慮到本題目所應(yīng)用的復雜程度和系統(tǒng)資源的分配，采用最簡單的直接1X 4鍵盤數(shù)據(jù)輸入端口。顯示模塊用的是 OCM4X8液晶顯示器，它是128 X 64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標 GB2312碼簡體中文字庫(16X 16點陣)、128個字符(8 X 16點陣)及64X 256點陣顯示RAM(GDRAM。具有多種功能：光標顯示、畫

8、面移位、睡眠模式等。界面比較豐富，人機操作更直觀。其外接接口可直接與 CPU連接，提供兩種方式來連接微處理機:8-位并行方式和串行方式。串行進行數(shù)據(jù)傳輸，可以節(jié)省單片機資源。本系統(tǒng)中就用了串行方式。(2)步進電機驅(qū)動模塊電路的實現(xiàn)系統(tǒng)中選用二相四拍步進電機，L298N (用于輸入標準TTL邏輯電平、輸出電壓、電流要求比較高的驅(qū)動電路，諸如繼電器、電磁閥、DC或步進電動機等設(shè)備中)作為雙橋驅(qū)動器件。每次繞組受到激勵，電動機軸就旋轉(zhuǎn)一圈的幾分之一。為使其正確的旋轉(zhuǎn)，繞組必須按正確的順序受到激勵。若勵磁信號正向傳送,則步進電機正轉(zhuǎn)；勵磁信號反向傳送，則步進電機反轉(zhuǎn)。由脈沖信號控制電動機，故調(diào)節(jié)脈沖信

9、號的頻率便可改變步進電機的轉(zhuǎn)速。L298N內(nèi)電路如圖 2.3。圖2.3L298N內(nèi)電路由電路可知，二相四拍電動機的勵磁方式輸入如表2.1。表2.1二相四拍電動機的勵磁方式輸入ABCD11000110001110012.4。利用單片機很容易滿足步進電機的工作條件，且容易控制。電路連接見圖D4TAAJ2!l11BJC10!D1 1mMi U FW11mwi11L 1111 cD5DSD7D81 1,SE113E2C1圖2.4L298N的電路連接示。(3)光電檢測模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)為了檢測板上黑線的位置，在懸掛物體中心上固定一個反射式紅外發(fā)射-接收器。具體電路如圖2.5所10kI 100kF圖2.

10、5 反射式紅外發(fā)射-接收器電路發(fā)射部分采用紅外發(fā)射管，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)信號的輸出。接收部分的光敏二極管在不同的的光照強度下，電阻值會大幅改變。本實驗中，我們把電路參數(shù)設(shè)置為只對黑色敏感。當檢測不到黑線時，發(fā)射管 發(fā)出的紅外光經(jīng)板面反射后被接收管接收，接收管導通，斯密特管輸出低電平，當檢測到黑線時，發(fā)射管I/O 口的高低電平來判斷電機的運動方發(fā)出的紅外光不能被反射，斯密特管輸出高電平，單片機通過檢測 向。由于是采用四個方向的同時檢測，故單片機的判斷能力就明顯提高，縮短了檢測判斷時間，同時也增 強了糾錯能力。2、軟件設(shè)計主程序要完成上述任務(wù)，并且控制的比較準確，實現(xiàn)的算法很重要。尤其是懸掛物體從一個位

11、置坐標運動到另一個位置坐標的算法，是實現(xiàn)任務(wù)的基礎(chǔ)。按照題目要求在lOOcmX 80cm的圖上定出各個點的坐標，現(xiàn)在以左下角為坐標原點，以一厘米為一個單位，標出橫軸和縱軸的數(shù)據(jù)，如圖2.6。用x和y來表示坐標的位置，用I表示左邊的繩子的長度，用 r表示右邊的繩子的長度（注意:我們這里的長度是指懸線與滑輪的觸點和圖中任一點（X, y）間的直線距離）。x和y與I和r的關(guān)系函數(shù)如下:/二 Jq+E： + (1巧-為2r = J(94R2+(115-y)2現(xiàn)在我們來計算出相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)動的拍數(shù)。設(shè)初始位置坐標為（x1，y1），目標位置為（x2，y2）時， I和 r為I和r的微小變量:務(wù)子程序模塊的調(diào)用等

12、。其流程圖如圖2.7。AmA&二山X36W2膩 A0 二MX36W2膩又知我們采用的二相四拍步進通過 I和r的變化，就可以控制電機的轉(zhuǎn)動拍數(shù)，進而控制物體的移動。根據(jù)圓周的數(shù)學關(guān)系，要使懸物左右相應(yīng)移動I、r，則左右兩電機需轉(zhuǎn)動過的角度為:電機，每一步進為1.8 ，則得到左右兩個電機需轉(zhuǎn)動的拍數(shù)為:由此我們就可以根據(jù)上面的計算來控制電機輸出脈沖，驅(qū)動電機以一定的步進節(jié)拍運轉(zhuǎn)，拖動懸掛物體從初始位置運動到目標位置了。本系統(tǒng)外圍電路比較簡單，但是軟件設(shè)計相對較復雜。既要考慮系統(tǒng)完成任務(wù)的具體執(zhí)行，又要考慮總體組成的易于實現(xiàn)性。從軟件的功能方面看，主程序主要完成坐標設(shè)置，鍵盤的掃描及其顯示，相應(yīng)任開

13、始系統(tǒng)初始化鍵盤掃描取譴值NYYY調(diào)用曲翩毎艮蹤程序是否有爆按下?是艮即2鍵?疋Key4鍵?Y調(diào)用定點同程序調(diào)用自定輛越程序調(diào)用畫圓程序SD顯示菜單和坐標清看門狗圖2.7 主程序程序流程圖在發(fā)揮部分（1）中，要求能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標。本系統(tǒng)主模塊中把此項功能獨立出去，放在坐標計算后，直接輸出并在LCD顯示。這樣就與任務(wù)子程序的調(diào)用分離開來，易于實現(xiàn)。（2）定點運動程序定點運動中不需要關(guān)心懸掛物體在運行過程中的軌跡，只考慮原點與設(shè)定點之間的距離，根據(jù)這一距 離，利用公式直接計算出左右兩根繩子最終應(yīng)該收放的相對距離，根據(jù)這一距離控制電機的轉(zhuǎn)數(shù)。則基于原點坐標（0，0），設(shè)定坐標（X,

14、y），和兩邊的繩子的長度的函數(shù)關(guān)系為:設(shè)定點左右繩長，J = j(15+滬+(1 巧*)2防95刁吋15原點左右繩長,4 = 715M15=lli97cmFq二9寧+111 = 149.16cin左右電機運線所需差值,A/ =幾-11 )97Af二r廠149.16其步進角度為,2 膩3 141593.14159代入電機步進單位1.8 ，得左右電機步進拍數(shù)，ATJV -_L=63.662A/】1於A# 兀=63.662加1.8其實現(xiàn)程序流程圖如圖 2.8所示。圖2.8定點運動程序流程圖（3）自定義軌跡程序在自定義軌跡模塊中需要讓懸掛物體沿任意設(shè)定形狀的一條曲線來運行。在該模塊中，設(shè)定的曲線是一條

15、一個周期的正弦波，該正弦波的波長是72cm,從（0，25）沿軌跡走到（72, 25），幅值為20cm其72個數(shù)據(jù)，基本可以達到精度要求?；驹硎窃诔绦蛑蓄A先設(shè)計一個正弦波坐標表格，表中放置正弦波初始點坐標（0, 20），則所行軌跡上各點（x，y）坐標為:X 二 0 +72x arc$in(360XjU72)y 二 2H 20 X ar 泗(360 吹削 72)其中k為0， 1, 2， 3,72。依次計算k=0, k=1, k=2 ,，直到k=72所對應(yīng)的（x , y）坐標值數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行時，單片機每控制電機拖動懸掛物體到一個位置前，會先查正弦波表，將查表得到的坐標結(jié) 果按照定點運動模塊的算法

16、算出左右兩線與上一個位置的長度差，以及各個電機所需轉(zhuǎn)動的角度和拍數(shù)。這樣從微觀上看還是從一個點運動到另一個點，從宏觀上看就是一個連續(xù)的正弦波形圖了。選取的取樣點 越多，運動的軌跡就越精確。程序流程圖如圖2.9所示。開始圖2.9自定軌跡程序流程圖（3）圓形軌跡運動模塊R，圓心（XC，yc）（運行前設(shè)置）為參考點，為滿足精確度，共設(shè)定取樣點為N個,算出每一個點（X，y）的橫坐標和縱坐標。則坐標計算公式與（ 2）相似，要讓電機控制 懸掛物體走圓形軌跡，只要在程序中建立一張圓形軌跡坐標表，單片機在 運行中不斷去查表，以獲得下一步的位置坐標。本程序中以半徑其中BI為角度值（單位弧度），為Nn /45。代

17、入預定數(shù)值:R=25cm N=( 1，2,90)，BI取值為n /45，2n /45，3n /45，90 n /45。為:x =(別x2?r/36Q)尸幾+恥池(創(chuàng) x27r/360)按下面公式,依次計算得到90兀+ 25xco$（別 詢180）=兒+ 2了乂$皿（月幾開門80）個采樣點的坐標值。程序運行時，先讀取圓心坐標值，由軟件程序算出圓形坐標表。通過不斷的查詢表格可以獲得相應(yīng)的以及各個電機所坐標信息， 按照定點運動模塊的算法算出懸物在前一位置和后一位置左右兩線的長度差, 需轉(zhuǎn)動的角度和拍數(shù)。圓形軌跡程序流程圖如圖 2.10所示。進入第二層繼續(xù)查詢。這四個點正面分布如圖2.11。圖 2.1

18、0圓形軌跡程序流程圖軌跡跟蹤程序在該程序模塊中，題目要求懸掛物體沿現(xiàn)場任意標示的軌跡運行。在懸掛物體運行過程中需要有尋跡1個紅外反射對管，以完成反饋，這樣才能對懸掛物體的行進路線進行糾偏。我們在懸掛物體底下安裝了 對反饋信號的采樣。由上面硬件介紹可知，當對管被黑色物體擋住時，接收管沒有反射光源照射，則其輸 出端為高電平，反之為低電平。單片機通過不斷查詢采樣信號端的狀態(tài)，控制電機的運動。在此模塊的算法中，首先確定待尋軌跡初始位置的坐標，以此坐標數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)尋找待尋軌跡的下一個 點。尋下一點程序是本模塊的關(guān)鍵。為了能夠準確找到該點的下一個點，我們定義了兩層查詢結(jié)構(gòu)。第一層是記住該點，并以這一點為中心

19、，向上行進1cm,若傳感器信號輸出端為低電平，則按此方向1cm若沿某方向檢測向上運動；若為高電平，則回到記憶點。按照上述方法依次向右、向下、向左行進 出低電平，則在此點開始下一點的查詢；若檢測輸入信號始終為高電平，則在懸掛物體回到記憶點以后,+ H 1 cm圖 2.11懸物運動第一層查詢點分布第二層查詢在第一層查詢沒有結(jié)果的情況下進行。首先使懸掛物體沿與x、y軸分別成45、135的方向行進，行進距離為 2cm，到第1點，若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪的下一點查詢；若檢測為高電平，則水平行進到與記憶點的y坐標相交的位置，為第 2點。若為高電平，則沿水平方向繼續(xù)行進到與第若此時檢測信號為低電

20、平，則開始新一輪的下一點查詢;一點關(guān)于記憶點y坐標對稱的位置，是第 3點。若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪的下一點查詢;若檢測為高電平,則豎直行進到與記憶點的x坐標相交的位置，是第 4點。若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪的下一點查詢;若檢測為高電平,則豎直行進到與第三點關(guān)于記憶點的x坐標對稱的位置，是第 5點。若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪的下一點查詢;若檢測為高電平,則水平行進到與第二點關(guān)于記憶點的x坐標對稱的位置，是第 6點。若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪的下一點查詢;若檢測為高電平,則水平行進到與第五點關(guān)于記憶點的y坐標對稱的位置，是第 7點。若檢測為低電平，則在此位

21、置進行新一輪的下一點查詢;若檢測為高電平,則豎直行進到與第七點關(guān)于記憶點的x坐標對稱的位置，是第 8點。若檢測為低電平，則在此位置進行新一輪的下一點查詢;若檢測為高電平，則證明已無軌跡可尋，退出跟蹤程序的運行。這八個點的正面分布為圖2.12。/圖 2.12懸物運動第二層查詢點分布軌跡跟蹤程序流程圖如圖2.13。圖 2.13軌跡跟蹤程序流程圖檢測到低電平信號以后，根據(jù)上面通用的算法，可知坐標差值，進而算得電機運行的步進拍數(shù)。三、測試說明1、測試儀器海星順達科技806秒表：最小刻度值：1/5S地牌3米卷尺(JC-353W-4):精度0.001m2、測試數(shù)據(jù)鍵盤設(shè)定坐標點測試通過鍵盤設(shè)定(0， 0)

22、(80，100)之間的任何一點的坐標，結(jié)果正確，準確率100%。自定義軌跡測試測試數(shù)據(jù)如表3.1所示。次數(shù)123起始點(0， 25)（1, 24）（1, 25）終止點（72,25）（70,24）（71,23）所用時間(s)50.048.549表3.1自定義軌跡測試記錄測試中設(shè)定的路徑是一個周期的正弦波，測試顯示物體實際運行的軌跡與算法中理論設(shè)定的軌跡基本相符，而且所畫波形比較圓滑，誤差很小，達到設(shè)計要求。圓周運動測試測試數(shù)據(jù)如表3.2所示。次數(shù)123圓心（40,50）（40, 50）（50, 30）直徑(cm)525151直徑誤差(cm)211所用時間(s)908988圓周運動測試記錄表3.2通過測試，我們發(fā)現(xiàn)實際測得的直徑總是稍有偏大，但在誤差范圍之內(nèi)，我們分析原因