悬挂运动控制系统语音播报系统.docx

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悬挂运动控制系统语音播报系统

悬挂运动控制系统[05电子大赛一等奖]

文章来源：

凌阳科技教育推广中心

作者：

西安航空技术高等专科学校（李新钊胡春雷钱建松）发布时间：

2006-4-2115:

56:

14

摘 要：

本系统以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心,通过所需运动轨迹曲线的参数方程,建立运动控制模型,按照算法对两组驱动步进电机进行控制，实现了悬挂画笔在给定的范围内的定点运动、任意曲线运动以及圆心可任意设定的圆周运动等功能，不仅完成了发挥部分要求,利用SPCE061A强大的语音处理功能，还增加了语音播放功能。

关键词：

单片机运动控制模型智能算法步进电机

一、 方案论证

　　根据题目的设计要求，本设计主要实现勾画设定轨迹和对设定轨迹的搜寻功能，并能实时的显示物体中画笔所在位置坐标。

其系统方案框图如图1.1所示。

为实现各模块功能，提出了几种设计方案并进行论证。

图1.1系统方案框图

1、控制器模块

　　方案一：

采用传统的51系列单片机作为系统控制器。

在本设计中，单片机的运算速度越快，运动轨迹精度越高，所以对单片机的执行速度有较高的要求；又由于本系统程序量较大，使用的I/O口资源较多，对于51来说，实现这些功能都比较困难。

　　方案二：

采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心。

与51相比，SPCE061A具有更加丰富的资源：

具有32个可编程的I/O口，14个中断源；CPU的工作时钟频率可以高达49.152MHZ，可以更好地满足本设计对数据处理速度的要求；独特的语音功能可使本系统具有更好的人机交互界面。

　　综上分析，选择方案二。

2、电机驱动模块

　　在本设计中，主控制器通过对电机的步进数控制来实现物体的运动，从而作出各种运动轨迹，设计思想是将物体的运动转换为拉线的伸缩，最终将伸缩量转化为电机的步数，从便于软件设计的角度出发，采用了57BYG系列两相混合式步进电机作为被控电机，这种具有较高的控制精度，速度的可控性好，制动性强。

其驱动方案如下：

　　采用微步进驱动模块，微步进驱动模块是由微控制器外接D/A转换器及光耦隔离电路组成的，它可以产生步进电机所需的相序脉冲。

系统单片机只需提供电机转动的方向信号和步进脉冲，其硬件连接简单，程序易编写，且节省I/O口。

所以本系统采用步进电机微步进驱动电路。

3、语音模块

　　由于本设计采用的控制芯片是凌阳SPCE061A单片机，该芯片本身具有语音功能，所以本系统只需利用SPCE061A为核心的精简开发板，就可以实现语音功能，不需再做专门的语音模块。

4、寻迹模块

　　方案一：

采用热探测器。

由于温度变化是因为吸收热能辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系，即对红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界环境影响比较大。

　　方案二、采用单光束反射取样式光电传感器ST178作为敏感元件，利用红外线对不同颜色的反射系数不同而产生强弱电流信号，所以受外界环境的影响比较小，抗干扰性比较强。

　　基于以上两种方案比较，采用方案二。

二、 详细软硬件设计

1、硬件设计

　　系统电路连接及硬件资源分配

　　本系统硬件电路连接图见图2.1。

图2.1 系统电路连接图

　　SPCE061A的硬件资源分配见表2.1。

表2.1 SPCE061A单片机硬件资源分配表

I/O口资源使用情况

使用

IOA[10：

0]用于LCD液晶显示

IOA[14：

11]用于电机驱动控制

IOB[7：

0]用于4×4矩阵式键盘

IOB[11：

8]用于传感器光电检测

Timer使用情况

TimerA

未使用

TimerB

未使用

中断使用情况

FIQ：

语音播放中断服务程序

　　寻轨迹控制策略

　　根据题目的要求，悬挂物沿曲线运动的轨迹分为两段，连续段和间断段。

可采用4个光电传感器作为检测元件，其放置方式如图2.2所示。

图2.2 4个光电传感器放置方式

　　在连续段寻迹时，通过判断四个传感器的16种组合状态，使电机作出相应的伸缩动作。

当轨迹为间断线时，电机拉动传感器在大角度方向内位移，直到在某一方向检测到新的黑线为止。

然后再调用连续段的寻迹程序。

　　系统各模块单元电路设计

（1）电源部分电路设计

　　本系统中使用了两相混合式步进电机，其额定工作电流达到2.0A，而W78××系列组件，最大输出电流为1.5A，因此电路中采用了外接大功率三极管C5297来扩大电流输出范围，其电路如图2.3所示。

在7815的输出极加上大功率三极管，扩流后的电流为

Io=Io′+Ic上式中Io′是7815的输出端电流，Ic为三极管集电极电流。

扩大后的电流达到2.0A以上，满足系统电机驱动电流的要求。

图2.3 电源电路

（2）语音播报模块设计

　　凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，经LM396音频放大，即可驱动喇叭放音。

放大电路如图2.4所示。

图2.4 语音播报电路

　　（3）寻迹部分电路设计

　　根据题目的要求，悬挂物体要沿着黑线运行，采用反射式光电传感器进行探测。

光电传感器的硬件设计如图2.5所示。

电压比较器LM393的同相输入Ⅴin拉低，输出为低电平。

当检测到黑线时，接收管截止，同相输入Ⅴin为高，比较器输出为高电平。

本系统中四个传感器的的OUT分别连接IOB8～IOB11。

图2.5 寻迹电路

　　（4）显示模块设计

　　在系统中，利用通用的液晶1602作为显示模块实时显示寻迹或者定点的坐标。

　　液晶1602的技术参数为：

　　◆显示容量：

32个字符，每个字符为5×7点阵，分2行，每行16列

　　◆芯片工作电压：

4.5-5.5V

　　◆工作电流：

2mA（5.0V）

　　◆模块最佳工作电压：

5.0V

　　◆字符尺寸：

2.95×4.35（W×H）mm

　　其典型应用接口图如图2.6。

本系统中DB0~DB7连接SPCE061A的IOA0~IOA7，EP连接IOA8，R/W连接IOA9，RS连接IOA10。

图2.6 1602与单片机典型接口

　　（5）键盘模块电路设计

　　根据设计需求，本系统中使用了标准的4×4键盘，其电路原理图如图2.7。

图中C1～C4为4×4键盘的列信号，L1～L4为4×4键盘的行信号。

在本系统中，用IOB4～IOB7连接键盘的列信号C4～C1；用IOB0～IOB3连接键盘的行信号L4～L1。

图2.7 4×4键盘电路原理图

　　在本系统中，S1～S3、S5～S7、S9～S11、S13为数字键，如图2.8，S4、S8、S12、S14～S16为功能键。

图2.8 4×4键盘功能图

2、软件设计

　　理论分析与计算

　　1、位移/脉冲转换方法：

给步进电机一定频率的脉冲，使电机拖动一载体移位100cm，记录下此期间所给脉冲总数z,由此则步进电机拉动载体位移1mm所需的脉冲数

（注意给定的频率不要太高，否则会出现丢步。

多测几次，取脉冲数相近的那个脉冲数z）,因此，直接可将拉线的位移转化为送给电机的脉冲个数。

脉冲的频率决定转速，脉冲个数决定位移。

　　2、点到点运动核心算法：

结合图2.9说明，假设E（x0,y0）,F（x1,y1）为给定平面范围上的任意两点，作辅助线（图中虚线部分），在直角三角形⊿ABE中      

　　　　　　　　a0=

;

　　在直角三角形⊿CDE中:

　　　　　　　　b0=

　　同理对于F点，两拉线长分别为：

　　　　　　　　a1=

　　　　　　　　b1=

　　因此当悬挂物从E点运动到F点时：

   电机1的收放线长度为c（当c<0，电机正转（或拉线伸长）；c>0时，电机反转（或拉线收缩））

　　　　　　　c=a0-a1

   电机2的收放线长度为d（当d<0，电机反转（或拉线收缩），当d>0时，电机正转（或拉线伸长））

　　　　　　　d=d0-d1

　　根据c，d的正负分别确定电机1，电机2的正反转向。

而根据c，d的绝对值来确定电机1，电机2各自所需的脉冲数：

　　电机1所分配的脉冲数：

　　　　　　　　　　　　m=

×p

　　电机2所分配的脉冲数：

　　　　　　　　　　　　n=

×p

图2.9 点到点运动示意图

　　3、误差补偿：

为了使运动轨迹更加平滑，采用按比例分配脉冲的原则进行交替送脉冲，电机2所运行的脉冲数是电机1所运行的脉冲数的

倍，因此电机1每运行t个脉冲，电机2就需要运行

×t个脉冲，该算法可能会造成电机2所送的脉冲数与理论计算脉冲数稍有偏差，因此加入适当的补偿程序，使得所运行轨迹精度更高，曲线更平滑。

　　4、数学模型：

本设计要求悬挂物能够画一个圆，设所画圆的圆心坐标为（x0,y0）半径为固定的25cm，（x,y）为圆周上的任意一点，由此确定圆的方程为：

　　　　　　　　（x-x0）^2+（y-y0）^2=25^2

　　若直接使用该方程来求圆上点的坐标，算法比较复杂，采用了圆的参数方程：

　　　　　X=x0+25sint；

　　　　　Y=y0+25cost； （x0,y0）为圆心坐标

　　这样，则圆的坐标仅与参数t有关，因此，使角度t以某一设定的角度步长v累加，使t+q×v在周期[t,t+2π]内变化，其中q为累加步数。

这样就可以采样到圆上均匀的点，显然，角度步长v越小，在圆周上取得点越多，控制也会更精确。

　　程序流程

（1）主程序

　　本系统软件设计采用凌阳μ'nSP的汇编语言与C语言交叉使用，可固化、可剪裁，以实现系统所要求的各项功能。

系统软件主程序流程图如图2.10所示：

图2.10 主程序流程图

（2）定点运动子程序

　　通过对步进电机的控制，使悬挂物从初始位置运动到指定点流程图如图2.11所示：

图2.11 定点运动子程序流程图

　　（3）画圆子程序

　　根据圆的参数方程的计算圆上点的坐标，通过调用定点程序来实现，画圆程序流程图如图2.12所示。

图2.12 画圆子程序流程图

　　（4）寻迹子程序

　　通过判断传感器的不同状态值，作出相应的处理动作，当遇到断点时，多角度检测下段的黑线，直到再次检测到黑线。

寻迹流程图如图2.13所示。

图2.13 寻迹子程序流程图

三、 测试说明

1、测试指标

　　将设计题目所要求的各基本功能和发挥部分进行分项测试。

2、测试仪器

　　测试使用的仪器设备如表3.1所示。

表3.1 测试使用的仪器设备

序号

名称、型号、规格

数量/台

备注

1

数字万用表：

VC9806

1

胜利公司

2

微机稳压电源：

ＷＤ－４

1

启东计算机总厂

3

双踪示波器DS5022M

1

RIGOL

4

米尺

1

-

5

秒表

1

-

2、自行设定运动测试

　　将物体放在坐标原点，控制物体作自行设定的运动。

运动距离设定为136cm，完成时间为55.86s。

表3.2是多次测试的纪录。

表3.2自行设定运动测量数据

测试次数

1

2

3

行程/cm

136

136

136

全程行使时间/s

55.86

55.45

55.65

3、圆周运动测试

　　首先设定圆心坐标，根据给定半径，单片机控制物体运动到画圆的起始位置，并语音提示开始画圆。

经测试所画圆的最大轨迹误差为0.5cm，所用时间为48.56秒。

经过多次测试完成良好。

表3.3圆周运动测量表

测试次数/次

设定圆心坐标（X，Y）

画笔位置坐标显示情况

完成时间/s

完成情况

误差/cm

其他发挥

1

40.00，50.00

实时显示

48.83

良好

0.10

语音提示

2

45.00，55.00

实时显示

48.56

良好

0.10

语音提示

3

35.00，50.00

实时显示

47.85

良好

0.10

语音提示

4、定点运动测试

　　首先设定物体所要到达的一个点的坐标，控制物体总左下角原点出发，在规定时间内较好的完成了题目要求。

表3.4是多次测试的纪录。

表3.4定点运动测量数据

序号

设定坐标（x,y）

实际测量

误差/cm

完成时间/s

其他发挥

1

45.00，55.00

44.80，54.80

0.20~0.50

22.55

语音提示

2

40.00，40.00

39.80，39.70

0.23~0.45

16.80

语音提示

3

70.00，85.00

69.80，84.40

0.24~0.38

28.33

语音提示

5、寻迹测试

　　利用光电测试模块，由单片机控制物体作任意形状的寻迹运动，并能判断间断线段，表3.5为多次测试的结果。

表3.5寻迹测量数据

序号

连续线段寻迹情况

完成时间/s

间断线段寻迹情况

完成时间/s

1

完成

32.87

完成

26.28

2

完成

32.80

完成

26.31

3

完成

32.90

完成

25.98

参考文献

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国防工业出版社，1999

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北京航空航天大学出版社.2005

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中国电力出版社.2005