電子設(shè)計(jì)大賽介紹要求

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革起到了促進(jìn)作用。從前幾屆電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的試題來(lái)看，可以歸納成5類(lèi)，即（1）電源類(lèi)：簡(jiǎn)易數(shù)控直流電源（第一屆），直流穩(wěn)壓電源（第三屆）；（2）信號(hào)源類(lèi)：實(shí)用信號(hào)源的設(shè)計(jì)和制作（第二屆）；（3）無(wú)線(xiàn)電類(lèi)：實(shí)用低頻功率放大器（第二屆），簡(jiǎn)易無(wú)線(xiàn)電遙控系統(tǒng)（第二屆），調(diào)幅廣播收音機(jī)（第三屆），短波調(diào)頻接收機(jī)（第四屆）；（4）儀器類(lèi)：簡(jiǎn)易電阻、電容和電感測(cè)試儀（第二屆），簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)（第三屆），頻率特性測(cè)試儀（第四屆），數(shù)字式工頻有效值多用表（第四屆）；（5）數(shù)據(jù)采集與控制類(lèi)：多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（第一屆），水溫控制系統(tǒng)（第三屆），數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)（第四屆）。試題的特點(diǎn)是：實(shí)用性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、技術(shù)水平發(fā)揮余地大。所涉及的電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的課程有：低頻電路、高頻電路、數(shù)字電路、微機(jī)原理、電子測(cè)量等；實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)有：電子線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)課、微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等；可選用的器件有：晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、可編程邏輯器件等；設(shè)計(jì)手段可以采用傳統(tǒng)的，也可以采用現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)工具，如Pspice輔助分析和ISP在系統(tǒng)可編程等。不難看出，電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的試題既反映了電子技術(shù)的先進(jìn)水平，又引導(dǎo)高校在教學(xué)改革中，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。我們的課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革思路也應(yīng)反映這些特點(diǎn)，使學(xué)生的知識(shí)和能力達(dá)到電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的水平。為此，我們?cè)谡n程體系、教學(xué)內(nèi)容的改革方面進(jìn)行了以下工作電子設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)，標(biāo)準(zhǔn)是3個(gè)人，分工是程序，硬件，論文。但是寫(xiě)程序的也需要知道硬件，搞硬件的也要知道如何去協(xié)調(diào)硬件讓程序?qū)懫饋?lái)更容易，就是說(shuō)也要懂點(diǎn)程序。其實(shí)寫(xiě)論文的是最累的，準(zhǔn)備時(shí)期需要記錄各模塊的制作進(jìn)程，收集各模塊的論文素材。設(shè)計(jì)比賽初期，需要共同討論方案并記錄，中期要寫(xiě)論文的同時(shí)做好后勤工作，其實(shí)多數(shù)情況下，論文是比作品先出來(lái)的。整個(gè)團(tuán)隊(duì)的結(jié)構(gòu)是：一人通硬件了解軟件，一人通軟件了解硬件，一人都了解但是知其然不知起所以然，團(tuán)隊(duì)最忌每個(gè)人能力都一樣，需要在關(guān)鍵的時(shí)候有人能拍板。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題是很常見(jiàn)的，這個(gè)時(shí)候需要調(diào)整，要有一個(gè)人以核心的形式存在，能說(shuō)了算，不要內(nèi)部發(fā)生分歧。文章來(lái)源:/xpzl.htm懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（E題）一、任務(wù)設(shè)計(jì)一電機(jī)控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜（仰角＜100度）的板上運(yùn)動(dòng)。在一白色底板上固定兩個(gè)滑輪，兩只電機(jī)（固定在板上）通過(guò)穿過(guò)滑輪的吊繩控制一物體在板上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍為80cmxl00cm。物體的形狀不限，質(zhì)量大于100克。物體上固定有淺色畫(huà)筆，以便運(yùn)動(dòng)時(shí)能在板上畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡。板上標(biāo)有間距為1cm的淺色坐標(biāo)線(xiàn)（不同于畫(huà)筆顏色），左下角為直角坐標(biāo)原點(diǎn),示意圖如下。

二、要求1、基本要求：(1)控制系統(tǒng)能夠通過(guò)鍵盤(pán)或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)；控制物體在80cmxl00cm的范圍內(nèi)作自行設(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(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡，限300秒內(nèi)完成；控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運(yùn)動(dòng)，限300秒內(nèi)完成；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(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(兩點(diǎn)間直線(xiàn)距離不小于40cm)。2、發(fā)揮部分能夠顯示物體中畫(huà)筆所在位置的坐標(biāo)；控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)示意圖)，曲線(xiàn)在測(cè)試時(shí)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)出，線(xiàn)寬1.5cm?1.8cm，總長(zhǎng)度約50cm，顏色為黑色；曲線(xiàn)的前一部分是連續(xù)的，長(zhǎng)約30cm；后一部分是兩段總長(zhǎng)約20cm的間斷線(xiàn)段，間斷距離不大于lcm；沿連續(xù)曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)限定在200秒內(nèi)完成,沿間斷曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)限定在300秒內(nèi)完成；(3)其他。三、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目滿(mǎn)分基本要求設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告：方案比較、設(shè)計(jì)與論證，理論分析與計(jì)算，電路圖及有關(guān)設(shè)計(jì)文件，測(cè)試方法與儀器，測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析。50實(shí)際制作完成情況50發(fā)揮部分完成第(1)項(xiàng)10完成第(2)項(xiàng)中連續(xù)線(xiàn)段運(yùn)動(dòng)14完成第(2)項(xiàng)中斷續(xù)線(xiàn)段運(yùn)動(dòng)16四、說(shuō)明1、物體的運(yùn)動(dòng)軌跡以畫(huà)筆畫(huà)出的痕跡為準(zhǔn)，應(yīng)盡量使物體運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡吻合，同時(shí)盡量縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)間；2、若在某項(xiàng)測(cè)試中運(yùn)動(dòng)超過(guò)限定的時(shí)間，該項(xiàng)目不得分；3、運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差超過(guò)4cm時(shí)，該項(xiàng)目不得分；4、在基本要求(3)、(4)和發(fā)揮部分(2)中，物體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)前，允許手動(dòng)將物體定位；開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后，不能再人為干預(yù)物體運(yùn)動(dòng)；5、競(jìng)賽結(jié)束時(shí)，控制系統(tǒng)封存上交賽區(qū)組委會(huì)，測(cè)試用板(板上含空白坐標(biāo)紙)測(cè)試時(shí)自帶。懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(E題)---學(xué)生作品畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)原創(chuàng)摘要：懸掛軌跡控制系統(tǒng)是一電機(jī)控制系統(tǒng)，控制物體在80cmX100cm的范圍內(nèi)作直線(xiàn)、圓、尋跡等運(yùn)動(dòng)，并且在運(yùn)動(dòng)時(shí)能顯示運(yùn)動(dòng)物體的坐標(biāo)。設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)作為核心器件實(shí)現(xiàn)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)控制，通過(guò)多圈電位器實(shí)現(xiàn)對(duì)懸掛物位置的精確測(cè)量，并引入局部閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)對(duì)誤差進(jìn)行修正。以達(dá)到對(duì)物體的控制和對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟停等多種工作狀態(tài)進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的控制。采用紅外光電傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電機(jī)速度和畫(huà)板上黑色曲線(xiàn)軌跡。關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)軌跡；多圈電位器；脈沖寬度調(diào)制；紅外反射光電傳感；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)ABSTRACT：Hangtrajectorycontrolsystemisamotorcontrolsystem,objectmakelinear,circle,searchinglocusandetclocomotionwithintherangeofthe80cmx100cm,whilemovementsystemcandisplaythecoordinateoftheobject.AdoptAT89S51MCUasthemainparttorealizetheautomaticcontroloftheobjectmotionlocusinthisdesign,systemusingmultiturnpotentiometertomeasurethepositionofobject,andintroduceslocalclosed-loopfeedbackcontrolsystemlinktocorrecterror,inthatcasesystemcanimprovetheaccuracyofcontrolandorientation.InthisdesignsystemalsoadoptPWMtechniquecontrolDCmotordrivechipL298torealizetheaccuratecontrolofmotorrotationspeed,rotationdirection,Start,Stopandetcoperatingposition.Systemadoptinfraredphotosensormeasuremotorrotationspeedanddrawinglocusbyblackcurveonthepalette.KEYWORDS:sporttrajectory；loopypotentiometer；PWM；infraredphotosensor；DCmotordriving第1章引言運(yùn)動(dòng)控制是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分，是機(jī)器人等高技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，已取得了廣泛的工程應(yīng)用。運(yùn)動(dòng)控制集成了電子技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等內(nèi)容，例如在工廠(chǎng)、碼頭往往需要將貨物從一點(diǎn)搬往另一點(diǎn)，如使用懸掛控制系統(tǒng)更方便、安全。在此基礎(chǔ)上還可設(shè)計(jì)成基于三線(xiàn)懸掛結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制裝置。所謂三線(xiàn)懸掛是指，將三根纜線(xiàn)系于一點(diǎn)并懸掛重物，且三根纜線(xiàn)分別掛在三個(gè)固定滑輪上，其長(zhǎng)度由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三個(gè)繞線(xiàn)輪分別控制，從而控制懸掛重物在三維空間中的位置。其中原理和懸掛軌跡控制系統(tǒng)一樣的。懸掛軌跡控制系統(tǒng)是一電機(jī)控制系統(tǒng)。為滿(mǎn)足控制需要，本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)作為核心器件，多圈電位器為物體位置數(shù)據(jù)采集器件，以L(fǎng)298驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)為執(zhí)行設(shè)備，鍵盤(pán)和LED顯示為人機(jī)接口的結(jié)構(gòu)方式。算法方面通過(guò)以微小直線(xiàn)為單位的策略，完成較為復(fù)雜的長(zhǎng)直線(xiàn)、圓周和不確定曲線(xiàn)。系統(tǒng)軟件將物體運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成懸繩伸縮的距離，進(jìn)而計(jì)算出多圈電位器需要轉(zhuǎn)動(dòng)到的位置，再算出兩直流電機(jī)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）值。再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)懸掛物位置的精確測(cè)量，并引入局部閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)對(duì)誤差進(jìn)行修正。對(duì)于系統(tǒng)自定的確定線(xiàn)型（直線(xiàn)和圓周），通過(guò)調(diào)整兩個(gè)直流電機(jī)不同的PWM值的搭配，可以控制物體的運(yùn)動(dòng)方向。而對(duì)于不確定的曲線(xiàn)，由光電傳感器得到路線(xiàn)信息，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理，給出物體運(yùn)動(dòng)方向的指令。本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)：1、 優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動(dòng)控制，誤差補(bǔ)償。2、 使用雙動(dòng)滑輪，有效防止滑輪與拉繩之間打滑。3、 使用多圈電位器與動(dòng)滑輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，引入反饋，實(shí)現(xiàn)物體精確定位。4、 LED顯示模塊提供一個(gè)人機(jī)對(duì)話(huà)界面，并實(shí)時(shí)顯示坐標(biāo)及物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。第2章系統(tǒng)功能及基本原理2.1設(shè)計(jì)任務(wù)1、 控制系統(tǒng)能夠通過(guò)鍵盤(pán)或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)；2、 控制物體在80cmX100cm的范圍內(nèi)作自行設(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(huà)出運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（兩點(diǎn)間直線(xiàn)距離不小于40cm）；

圖2.1懸掛控制示意圖5、控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，如圖2.1所示，曲線(xiàn)在測(cè)試時(shí)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)出，線(xiàn)寬1.5cm?1.8cm,總長(zhǎng)度約50cm，顏色為黑色；曲線(xiàn)的前一部分是連續(xù)的，長(zhǎng)約30cm；后一部分是兩段總長(zhǎng)約20cm的間斷線(xiàn)段，間斷距離不大于1cm；沿連續(xù)曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)限定在300秒內(nèi)完成；6、能夠顯示物體中畫(huà)筆所在位置的坐標(biāo)，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差不得超過(guò)4cm。2.2系統(tǒng)基本方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要實(shí)現(xiàn)勾畫(huà)設(shè)定軌跡和對(duì)設(shè)定軌跡的搜尋功能，并能實(shí)時(shí)的顯示物體中畫(huà)筆所在位置坐標(biāo)。其系統(tǒng)方案框圖如圖2.2所示。圖中多圈電位器安裝在兩個(gè)動(dòng)滑輪上，電機(jī)收放線(xiàn)長(zhǎng)度就會(huì)通過(guò)多圈電位器轉(zhuǎn)換成電壓值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)；反射式光電傳感器對(duì)黑線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，以脈沖信號(hào)的形式送入單片機(jī)，同時(shí)按鍵信號(hào)送入單片機(jī)對(duì)物體進(jìn)行設(shè)置校正以及軌跡參數(shù)設(shè)定，控制器對(duì)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理，將控制信號(hào)輸送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,使物體的運(yùn)動(dòng)軌跡得以控制。第3章方案論證和比較根據(jù)題目要求可知，本系統(tǒng)所涉及的核心問(wèn)題主要有：1、對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟停等多種工作狀態(tài)進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的控制，以保證懸掛物體按照預(yù)先設(shè)定或即時(shí)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)行。2、為保證該控制系統(tǒng)的精度要求，必須對(duì)運(yùn)動(dòng)物體在畫(huà)板上的具體位置（坐標(biāo)點(diǎn)）進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。3、為保證該運(yùn)動(dòng)物體能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)按設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡從起始點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，還需要相應(yīng)的設(shè)定及顯示電路。我們分以下幾個(gè)部分進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和比較論證。3.1控制器模塊根據(jù)題目要求，控制器主要用于控制電機(jī)，并對(duì)坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行處理，控制電機(jī)移動(dòng)方向。對(duì)于控制器的選擇有以下兩種方案。方案一：采用FPGA為系統(tǒng)的控制器，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。通過(guò)輸入模塊將參數(shù)輸入給FPGA,FPGA通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，但是由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線(xiàn)復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。方案二：采用AT89S51作為系統(tǒng)控制的方案。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。并且，由于芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。因此，在本設(shè)計(jì)中采用AT89S51處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。綜合上述兩種方案，方案二較為簡(jiǎn)單，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。3.2電機(jī)的選擇方案一：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無(wú)級(jí)調(diào)速）、調(diào)速范圍寬、低速性能好（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流?。⑦\(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、效率高等方面。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有控制簡(jiǎn)單、定位精確、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn)。但它在運(yùn)行時(shí)噪音大、高速扭矩小、啟動(dòng)頻率低、價(jià)格較高?；谏鲜霰容^，為了方便地對(duì)電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，和需要電機(jī)帶負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，這里我們采用直流變速電機(jī)。3.3驅(qū)動(dòng)及調(diào)速方案方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)和關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易；缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)速度慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短。方案二:采用內(nèi)集成有達(dá)林頓管組成的H型的功率變換橋電路的恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片。用單片機(jī)輸出PWM信號(hào)控制使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)程序調(diào)節(jié)占空比精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。方案三:采用DSP芯片，配以電機(jī)控制所需要的外圍功能電路，通過(guò)數(shù)控電壓源調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)控制物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。該方案優(yōu)點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷、可靠性提高。但系統(tǒng)軟硬件復(fù)雜、成本高?；谏鲜隼碚摲治龊蛯?shí)際情況，擬定選擇方案二。速度采集方案方案一:采用霍爾集成片。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在電機(jī)上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè)。方案二:采用對(duì)射式光電傳感器。其檢測(cè)方式為:發(fā)射器和接受器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接受器，當(dāng)測(cè)物擋住光束時(shí)，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。由于電機(jī)的收線(xiàn)輪直徑較小，將傳感器安在電機(jī)上容易產(chǎn)生測(cè)量誤差，將傳感器安在滑輪上可以減少收線(xiàn)引起的誤差。方案三:采用多圈電位器式傳感器間接測(cè)量方式。通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)將線(xiàn)位移轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，再根據(jù)電阻與速度之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)速度的檢測(cè)。以上三種方案都是比較可行的方案。尤其是霍爾元件，應(yīng)用得很廣泛。方案一和方案二的精度都會(huì)有一定的限制。要達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求會(huì)給制作帶來(lái)難度；鑒于此情況選選擇多圈電位器更好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的精度要求。尋跡模塊探測(cè)板上黑線(xiàn)的大致原理是:光線(xiàn)照射到板面并反射，由于黑線(xiàn)和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接受到的反射光強(qiáng)弱判斷是否偏離黑線(xiàn)。方案一:采用熱探測(cè)器。由于溫度變化是因?yàn)槲諢崮茌椛淠芰恳鸬模c吸收紅外輻射的波長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系，即對(duì)紅外輻射吸收沒(méi)有波長(zhǎng)的選擇，因此受外界環(huán)境影響比較大。方案二:使用發(fā)光二極管和光敏三極管組合。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境的光源會(huì)對(duì)光敏二極管產(chǎn)生很大的干擾。方案三:使用紅外反射式一體化傳感器進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)比，這次設(shè)計(jì)中由于是近距離探測(cè)，故采用方案三來(lái)完成數(shù)據(jù)采集。由于紅外光波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，因此受可見(jiàn)光的影響較小。同時(shí)紅外線(xiàn)系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點(diǎn):尺寸小、質(zhì)量輕，便于安裝。反射式光電檢測(cè)器就是其中的一種器件，它具有體積小、靈敏度高、線(xiàn)性好等特點(diǎn)，外圍電路簡(jiǎn)單，安裝起來(lái)方便，電源要求不高。用它作為近距離傳感器是最理想的，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠。第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見(jiàn)圖4.1所示。采用AT89S51單片機(jī)作為核心器件，多圈電位器為懸掛物體位置采集器件，通過(guò)ADC0832轉(zhuǎn)換位數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)處理，L298作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，以MAX7219驅(qū)動(dòng)的LED顯示和4X4鍵盤(pán)作為人機(jī)接口。4.2尋軌跡控制策略根據(jù)題目的要求，懸掛物沿曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的軌跡分為兩段，連續(xù)段和間斷段?？刹捎?個(gè)光電一體化傳感器TCRT5000作為檢測(cè)元件，其放置方式如圖4.2所示。尋找黑線(xiàn)策略，采用模糊尋找的方式，首先物體從坐標(biāo)（0，8）運(yùn)行到坐標(biāo)（80，8），檢測(cè)這之間有無(wú)黑線(xiàn)，如無(wú)，則從坐標(biāo)（80，16）運(yùn)行到坐標(biāo)（0，16），再檢測(cè)這之間有無(wú)黑線(xiàn)，如有，則從坐標(biāo)（0，12）運(yùn)行到（80，12），檢測(cè)，如果沒(méi)有檢測(cè)到黑線(xiàn)，再進(jìn)一步縮小范圍從（80，14）運(yùn)行到（80，14）；如果檢測(cè)到黑線(xiàn)，再進(jìn)一步縮小范圍從（80，10）運(yùn)行到（80，10），當(dāng)檢測(cè)到黑線(xiàn)時(shí)就停下，此處將是黑線(xiàn)起點(diǎn)；如果沒(méi)有檢測(cè)到黑線(xiàn)則返回從（80，12）運(yùn)行到（0，12）檢測(cè)到的黑線(xiàn)即為黑線(xiàn)起點(diǎn)。以同樣的運(yùn)行檢測(cè)方式即可尋找出黑線(xiàn)的起點(diǎn)。在連續(xù)段尋跡時(shí)，通過(guò)判斷四個(gè)傳感器的16種組合狀態(tài)，使電機(jī)作出相應(yīng)的伸縮動(dòng)作。當(dāng)軌跡為間斷線(xiàn)時(shí)，電機(jī)拉動(dòng)傳感器在大角度方向內(nèi)位移，直到在某一方向檢測(cè)到新的黑線(xiàn)為止。然后再調(diào)用連續(xù)段的尋跡程序。4.3系統(tǒng)各模塊單元電路設(shè)計(jì)4.3.1電源部分電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中使用了直流12V電機(jī)，其額定工作電壓為12V,而單片機(jī)額定工作電壓為5V，所以電路中采用了7805和7812作為穩(wěn)壓模塊，其最大輸出電流為1.5A，滿(mǎn)足系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的要求，其電路如圖4.3.1所示。

TE丄謂-—i—IWqf?4.3.1TE丄謂-—i—IWqf?4.3.1電雄電路[N4砂7SI2*I2V4.3.2電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)^14.3.2電機(jī)航電翳物體運(yùn)動(dòng)的軌跡由電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向決定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制是通過(guò)多圈電位器對(duì)滑輪所轉(zhuǎn)的圈速進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)另一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合兩個(gè)計(jì)數(shù)器的值，由單片機(jī)計(jì)算出電機(jī)的速度，而物體運(yùn)動(dòng)的軌跡的里程由滑輪的周長(zhǎng)和所轉(zhuǎn)的圈數(shù)來(lái)計(jì)算。本系統(tǒng)由單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)接受到相應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)時(shí)，單片機(jī)轉(zhuǎn)到中斷口處理信息，PWM信號(hào)處于停發(fā)狀態(tài)。將單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)光電隔離器耦合后，控制L298驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、制動(dòng)。原理圖如4.3.2所示。單片機(jī)將P1.2、P1.5作為輸出控制使能端,,P1.2、P1.6作為電機(jī)一的控制端,Pl.3、P1.5作為電機(jī)二的控制端。L298的兩個(gè)控制端（C、D）的工作情況由表4.3.1列出（Wn為使能端）。表4.3.1L298控制表輸入功能Ven=HC=H;D=L正轉(zhuǎn)C=L;D=H反轉(zhuǎn)C=D制動(dòng)Ven=LC=XD=X停止4.3.3電機(jī)速度采集設(shè)計(jì)上面在方案論證中已經(jīng)提出電機(jī)速度的數(shù)據(jù)采集是通過(guò)檢測(cè)滑輪上的轉(zhuǎn)速來(lái)得到電機(jī)的速度。如圖4.3.3所示，速度采集系統(tǒng)中使用多圈電位器即圖中Wl、W2進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)ADC0832進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADC0832是一個(gè)8位雙通道A/D轉(zhuǎn)換器件。選用的多圈電位器為10圈、47KQ，動(dòng)滑輪直徑為5cm，則旋轉(zhuǎn)一圈的線(xiàn)長(zhǎng)為：L=5n由ADC0832的分辨率得出，采集到最小線(xiàn)位移為：l=L/28當(dāng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，拖動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，多圈電位器和滑輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變多圈電位器的輸出電壓，A/D轉(zhuǎn)換器將多圈電位器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滑輪運(yùn)轉(zhuǎn)情況精確采集。4.3.4尋跡部分電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，懸掛物體要沿著黑線(xiàn)運(yùn)行，采用反射式光電傳感器進(jìn)行探測(cè)。光電傳感器的硬件設(shè)計(jì)如圖4.3.4所示。電壓比較器LM393的同相輸入Vin拉低，輸出為低電平。當(dāng)檢測(cè)到黑線(xiàn)時(shí)，接收管截止，同相輸入Vin為高，比較器輸出為高電平。本系統(tǒng)中四個(gè)傳感器的OUT分別連接P1.0?P1.3。4.3.5顯示模塊設(shè)計(jì)S435顯示模烘電路國(guó)顯示部分電路由MAX7219、數(shù)碼管組成。采用6個(gè)LED管進(jìn)行X軸坐標(biāo)顯示、Y軸坐標(biāo)顯示。其電路圖如4.3.5所示。4.3.6鍵盤(pán)模塊電路設(shè)計(jì)

圖4.3.64X4鍵盤(pán)電路原理圖根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了標(biāo)準(zhǔn)的4X4鍵盤(pán)，其電路原理圖如圖4.3.6所示。圖中C1?C4為4X4鍵盤(pán)的列信號(hào)，L1?L4為4X4鍵盤(pán)的行信號(hào)。在本系統(tǒng)中，用P0.0?P0.3連接鍵盤(pán)的列信號(hào)C4?C1；用P0.4?P0.7連接鍵盤(pán)的行信號(hào)L4?L1。在本系統(tǒng)中，S1?S3、S5?S7、S9?S11、S13為數(shù)字鍵，如圖2.8，S4、S8、S12、S14?S16為功能鍵，S2、S5、S7、S10為雙功能鍵。主要功能如圖4.3.7所示。1212f457810設(shè)置3方式6X9Y啟動(dòng)確認(rèn)圖4.3.74X4鍵盤(pán)功能圖設(shè)置鍵：手動(dòng)對(duì)位或任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)鍵，按下后用上、下、左、右鍵可進(jìn)行手動(dòng)對(duì)位控制，然后按確認(rèn)鍵確認(rèn)，圖4.3.8所示。j物萍向上運(yùn)動(dòng)鍵也f物懷向左運(yùn)動(dòng)鍵Ef物懷向右運(yùn)動(dòng)匯鍵8 —物體向下運(yùn)動(dòng)!^4：3.8設(shè)置鍵操作圈方式鍵：首先按下方式鍵，然后按數(shù)字鍵選擇方式再確認(rèn)，方式有以下幾種：方式1：歸位，讓物體自行回到原點(diǎn)。方式2：作自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)。方式3：畫(huà)圓，首先利用數(shù)字鍵設(shè)置圓半徑進(jìn)行確認(rèn)后，再按啟動(dòng)鍵運(yùn)行。方式4：定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，首先利用數(shù)字鍵設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的X、Y值進(jìn)行確認(rèn)后，再按啟動(dòng)鍵運(yùn)行。方式5：尋跡，首先讓物體運(yùn)行在軌跡起點(diǎn)，按下啟動(dòng)鍵開(kāi)始尋跡。圖4.3.9所示，表示了幾種方式的操作。TOC\o"1-5"\h\z廠(chǎng)鍵1' CJ方式彳鍵d'確疝彳會(huì)A啟動(dòng)鍵& 數(shù)3髓5J L’鶴￡39方式鍵操作圖啟動(dòng)鍵：用于所選運(yùn)行方式的開(kāi)始運(yùn)行控制鍵。確認(rèn)鍵：用于設(shè)置、X、Y、方式輸入值的確定。第5章軟件部分設(shè)計(jì)5.1理論分析與計(jì)算位移/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法首先記錄初始A/D轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)據(jù)，再使電機(jī)1工作，電機(jī)2停止,，使電機(jī)拖動(dòng)一載體移位100cm，再記錄下此期間所變化的A/D轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)，由此則直流電機(jī)拉動(dòng)載體位移1mm所需的數(shù)據(jù)，因此，直接可將拉線(xiàn)的位移轉(zhuǎn)化為單片機(jī)檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)值。A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值決定位移。點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)核心算法結(jié)合圖5.1說(shuō)明，假設(shè)E(x0,y0),F(x1,y1)為給定平面范圍上的任意兩點(diǎn)，作輔助線(xiàn)(圖中虛線(xiàn)部分)，在直角三角形/ABE中a02=(x0+15)2+(115-y0)2 (5.1)在直角三角形/CDE中：b02=(95-x0)2+(115-y0)2(5.2)同理對(duì)于F點(diǎn)，兩拉線(xiàn)長(zhǎng)分別為：a12=(x1+15)2+(115-y1)2(5.3)b12=(95-x1)2+(115-y1)2(5.4)因此當(dāng)懸掛物從E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到F點(diǎn)時(shí)：電機(jī)1的收放線(xiàn)長(zhǎng)度為c(當(dāng)cvO，電機(jī)正轉(zhuǎn)(或拉線(xiàn)伸長(zhǎng))；c>0時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)(或拉線(xiàn)收縮))c=a0-a1 (5.5)電機(jī)2的收放線(xiàn)長(zhǎng)度為d(當(dāng)dvO,電機(jī)反轉(zhuǎn)(或拉線(xiàn)收縮)，當(dāng)d>0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)(或拉線(xiàn)伸長(zhǎng)))d=dO-d1(5.6)根據(jù)c，d的正負(fù)分別確定電機(jī)1，電機(jī)2的正反轉(zhuǎn)向。設(shè)繩索位移ImmAD變化值為P，而根據(jù)c，d的絕對(duì)值來(lái)確定電位器1，電位器2所要變化的值：電位器1所分配的數(shù)值：m=|c|*p(5.7)電位器2所分配的數(shù)值：n=|d|*p(5.8)thi/XR?51thi/XR?51點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)示意國(guó)Fig：5.1.3誤差補(bǔ)償為了使運(yùn)動(dòng)軌跡更加平滑，采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的控制，設(shè)電機(jī)1所運(yùn)行的線(xiàn)值為n,電機(jī)2所運(yùn)行的線(xiàn)值為m,則輸出到電機(jī)1和電機(jī)2的定時(shí)器初值比例為n/m,這樣可使電機(jī)1和電機(jī)2同步到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。在點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)行中，假設(shè)電機(jī)2的定時(shí)器初值為t,則電機(jī)1的定時(shí)器初始為n/m*t,該算法可能會(huì)造成電機(jī)所運(yùn)行的路徑為一條曲線(xiàn),可以讓單片機(jī)不斷計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離,不斷改變定時(shí)器初值,也可以將直線(xiàn)分成幾個(gè)線(xiàn)段來(lái)運(yùn)行,使得所運(yùn)行軌跡精度更高,直線(xiàn)更平滑。5.1.4數(shù)學(xué)模型本設(shè)計(jì)要求懸掛物能夠畫(huà)一個(gè)圓,采用微分曲線(xiàn)直線(xiàn)逼近法。首先將圓周等分為N份,將每小份弧線(xiàn)段等效為直線(xiàn)段畫(huà)出,N越大,曲線(xiàn)就光滑。設(shè)所畫(huà)圓的圓心坐標(biāo)為(xO,yO)半徑為固定的25cm,(x,y)為圓周上的任意一點(diǎn)，由此確定圓的方程為：(x*x0)2+(y-y0)2=252 (5.9)若直接使用該方程來(lái)求圓上點(diǎn)的坐標(biāo),算法比較復(fù)雜,采用了圓的參數(shù)方程：X=x0+25sint(5.10)Y=y0+25cost(5.11)(xO,yO)為圓心坐標(biāo)這樣，則圓的坐標(biāo)僅與參數(shù)t有關(guān)，因此，使角度t以某一設(shè)定的角度步長(zhǎng)v累加，使t+q*v在周期［t,t+2n］內(nèi)變化，其中q為累加值。這樣就可以采樣到圓上均勻的點(diǎn)，顯然，角度步長(zhǎng)v越小，在圓周上取得點(diǎn)越多，控制也會(huì)更精確。5.2程序流程主流程圖本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言交叉使用，為達(dá)到題目要求的控制精度和響應(yīng)時(shí)間，針對(duì)各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的巧妙算法，采用了匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言交叉使用。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖5.2所示：程序開(kāi)始后，首先要對(duì)尋跡的光電檢測(cè)口、MAX7219、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行初始化，然后判斷設(shè)置鍵或方式鍵是否有按下，以執(zhí)行設(shè)置或幾種方式的程序。定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)子程序單片機(jī)從鍵盤(pán)讀入功能鍵和起始坐標(biāo)值(X0,Y0),將(X0,Y0)帶入式5-1和式5-2中計(jì)算出a0和bO。再?gòu)逆I