悬挂运动控制系统的设计.docx

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悬挂运动控制系统的设计

摘要与关键字------------------------------------------------------------------------------------4

第一章设计任务及要求----------------------------------------------------------------------5

1.1设计任务--------------------------------------------------------------------------------5

1.2技术要求--------------------------------------------------------------------------------6

1.2.1基本要求-----------------------------------------------------------------------------6

1.2.2发挥部分----------------------------------------------------------------------------6

第二章模块方案比较与论证---------------------------------------------------------------7

2.1电动机驱动调速模块-------------------------------------------------------------7

2.2控制器模块----------------------------------------------------------------------------8

2.3滑块位移检测模块-------------------------------------------------------------------9

2.4纸面线段寻迹模块------------------------------------------------------------------9

第三章系统硬件设计与实现---------------------------------------------------------------10

3.1系统硬件结构总体设计-----------------------------------------------------------10

3.2系统主要单元模块的设计与实现------------------------------------------------10

3.2.1机械部分的设计-----------------------------------------------------------10

3.2.2智能控制部分的设计-----------------------------------------------------11

第四章系统软件设计------------------------------------------------------------------------15

4.1运动机构数学模型的建立--------------------------------------------------------15

4.2控制系统程序的设计与实现-----------------------------------------------------16

4.2.1控制程序总体设计--------------------------------------------------------16

第五章系统测试------------------------------------------------------------------------------18

5.1测试仪器------------------------------------------------------------------------------18

5.2指标测试------------------------------------------------------------------------------18

5.2.1自行设定运动测试----------------------------------------------------------------18

5.2.2圆周运动测试----------------------------------------------------------------------18

5.2.3键盘输入坐标点并运动到该点的测试----------------------------------------18

第六章总结-----------------------------------------------------------------19

参考文献----------------------------------------------------------------------------------------20

致谢----------------------------------------------------------------------------------------------21

附录----------------------------------------------------------------------------------------------22摘要

本系统的控制部分采用两块单片机实现（AT89C55和AT89C52），主单片机用于控制信号输入和电机驱动，从单片机用于信号检测和运动滑块坐标的实时显示。

执行机构采用无相四线制步进电机带动，定位精度高，误差不随转数累加，驱动电路采用双H桥结构的L298电机驱动芯片，由主单片机输出环形脉冲序列直接驱动。

本题的难点在于控制算法的实现，我们对控制系统进行了精确的数学建模，得到了步进电机输出和绘图滑块的运动坐标的精确对应关系，并把绘图区的坐标信息建立成表格存储在ROM中，通过查表的方式来计算得到控制输出量。

我们的控制系统达到了很好的控制精度，基本上完成了题目的要求。

关键字：

单片机步进电机数学建模查表

Abstract

Thecontrolpartofthissystemisbasedontwomicrocontrollers（AT89C55andAT89S52）,oneusedfortheinputsignalofcontrolandthedriveofthestepmotor,theotherusedforslipperypieceofthesignalexaminationanddisplayingthecoordinateofthesolidhouratanytime.Andthedrawingsystemiscarryingoutbytwofourphasestepmotors,whicharedriveddirectlybyintegratedchipL298thathasdoubleHbridgesstructureoftheelectriccircuit,anditscircuitdrivingpulsesaregivendirectlybytheprimarymicrocontroller.Adifficultpointintheproblemishowtocarryoutthecontrolarithmetic,forwhich,wesetuptheprecisemathematicsmoldofthecontrolsystem.Themoldcoulddescribethestrictrelationshipofthestepmotors’outputsandthecoordinatesoftheslipperfordrawingateverypointinthedrawingarea.WestoredallthecoordinatedatainaROM,andwecangetthedatabytablelook-upwaywhenthecoordinateisusedinrunningcourse.Bythisway,ourcontrolsystemformtoaveryhighprecision,andwecompleteaboutallthetaskwell.

Keyword:

microcontroller,stepmotor,mathematicsmolding,tablelook-up

1、设计任务及要求

1.1设计任务：

设计一电机控制系统，控制物体在倾斜的板上运动。

在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机，通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为

。

物体的形状不限，质量大于

克。

物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。

板上标有间距为

的浅色坐标线，左下角为直角坐标原点。

1.2设计要求：

1.2.1基本要求：

（1）控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；

（2）控制物体在

的范围内做自行设定的运动，运动轨迹长度不小于

，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限

秒内完成；

（3）

控制物体做圆心可任意设定、直径为

的圆周运动，限

秒内完成；

（4）物体从左下角坐标原点出发，在

秒内到达设定的一个坐标点（两点间直线距离不小于

）。

1.2.2发挥部分

（1）能够显示物体中画笔所在位置的坐标；

（2）控制物体沿板上标出的任意曲线运动，曲线在测试时现场标出，线宽

，总长度约

，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约

；后一部分是两端总长约

的间断线段，间断距离不大于

；沿连续曲线运动限定在

秒内完成，沿间断曲线运动限定在

秒内完成；

（3）其他。

2、方案比较与论证

根据题目的技术指标和要求，系统可分为机械部分、控制部分和信号检测部分。

具体可划分为滑块位移检测模块，纸面线段寻迹模块，键盘，控制模块，显示模块，电机驱动模块、电机系统、绘图装置。

如图

（1）所示。

对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案。

纸面线段

寻迹模块

滑块位移检测模块

控制器模块

键盘

显示模块

电机驱动模块

图

（1）系统组成

2.1电动机驱动调速模块

根据题目的要求，电机控制部分要求的控制精度高，定位要准确。

经过分析，有以下三个方案可以选择

方案一：

采用两个直流减速电机共同带动滑块达到控制的目的。

由达林顿管组成的H型PWM电路。

用单片机控制达林顿管，使之工作在占空比可调的开关状态，可以简单的实现转速和方向的控制，稳定性极强，是广泛采用的调速的方法，但是不能精确定位，达到题目要求十分困难。

方案二：

使用继电器对步进电机控制。

通过开关的切换，实现对电机的各相绕组分时通入脉冲达到换向和调速的功能，优点是电路非常简单，缺点是继电器的相应时间慢，机械结构易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案三：

使用驱动芯片对步进电机控制。

驱动芯片电路简单，可靠性高，单片机可以直接驱动。

电机的调速和位移量控制，可以通过软件实现，变化范围大，容易实现，反应速度快。

由于大赛的时间短，工作量大，同时对可靠性要求也比较高，基于以上的考虑，我们选了方案三，利用集成芯片L298来驱动步进电机。

2.2控制器模块

根据题目的要求控制器主要用于电机的控制，传感器信号的接收与辨认数码管显示的管理和键盘的扫描，对于控制器的选择有以下两种方案：

方案1：

采用FPGA作为系统的控制器。

FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，易于进行功能扩展。

适合作为大规模实时系统的控制核心，但由于题目对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理能力得不到充分的体现，其成本偏高，同时芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。

方案2：

采用ALTMEL公司的AT89C55和AT89S52作为系统控制器的双CPU方案，分别负责步进电机的控制和传感元件的数据采集与处理。

单片机具有灵活性大，技术成熟和成本低等优点、非常适合本控制系统的要求。

基于以上分析，我们决定采用方案二。

单片机最小系统电路图图

（2）

2.3滑块位移检测模块

方案一：

将鼠标作为滑块，根据鼠标原理进行定位。

机械式鼠标由鼠标底部的橡胶滚球带动两根成90度排列的定位轴，定位轴的两端连接着圆形的光学编码器，橡胶滚球会带动光学编码器上的圆盘转动，光电管就会收到断续的信号。

这样控制系统可以实时收到鼠标的位移量，从而达到定位。

但在本题小于100度的倾角的斜面上，由于重力原因橡胶滚球有时不能与定位轴接触，使得运动是不能带动定位轴转动定位产生较大误差。

光电鼠标中发光二极管照亮采样表面，对比度强烈的待采样影像通过透镜在CMOS上成像，CMOS将光学影像转化为矩阵电信号传输给DSP，DSP则将此影像信号与存储的上一采样周期的影像进行比较分析，然后发送一个位移距离信号到接口电路。

这样就可以实时跟踪，且定位准确精密，但对于光电鼠标的输出信号掌握不算成熟，而且不便于单片机利用和控制，在使用上有一定的障碍。

方案二：

由于滑块位置由连接滑轮的两根线的长度唯一确定，所以可测量电机转数来计算绳子的位移量，这种方法简便易行，测试简单，通过建立数学模型即可实现，且有较准确的控制精度。

基于上述理论分析，拟选择方案二。

在测量电机转数时又有几种方案可供选择

（1）采用霍尔集成片。

（2）采用断续式光电开关。

（3）采用鼠标内部的机械滚轮部分。

这三种方案都比较可行，尤其是霍尔元件，在工业上得到广泛采用。

但此题中没有较大的轮轴，磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。

断续式光电开关精度较高，但透射光栅制作较为复杂，且市场上没有成品可以买到。

机械滚轮结构兼有其上两种方案的优点，且安装简便，电路最为简单，因此拟采用第三种。

2.4纸面线段寻迹模块

探测黑线的大致原理是：

光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱判断滑块是否处在黑线上。

方案一：

可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。

这种方案的缺点在与其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率消耗。

方案二：

不调制的反射是红外反射-接收器。

由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰，但如果直接用直流电压对管子进行供电，限于管子的平均功率要求，工作电流只能在10mA左右，仍然容易受到干扰。

方案三：

脉冲调制的反射是红外反射-接收器。

考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰。

基于上述理论分析，拟采用方案三。

3.系统硬件设计与实现

3.1系统硬件结构总体设计

本题是一个机、电、智一体化的综合设计，在设计中运用了自动控制技术和电子技术，系统可分为机械制作和智能控制部分。

机械加工部分：

为了达到所要求的控制精度，它是整个作品的基础，是制作成功的保证。

它包括：

材料的选取、器件的选择、绘图板的制作、图纸的绘制、机械和传感器部分的安装，五部分组成。

电气和智能控制部分：

单片机将控制信号传输到电动机，电动机完成对控制信号的响应。

它包括：

单片机最小系统板、数码管显示和键盘控制电路、电机驱动电路。

完成整个系统的显示控制功能。

3.2系统主要单元模块的设计与实现

3.2.1机械部分的设计

固定的木板选用长120厘米宽122.5厘米的木板，在作图纸上打印间距为1厘米的浅色坐标线，用图钉固定在木板上。

按照要求固定滑轮和电机，为了方便连接，电机放在木板上方。

滑轮是专门为这个作品设计加工的，能够防止导线在运动过程中滑出，同时质量很小能够减小转动惯量，同时也增大了电机的驱动能力。

导线选取的是弹性形变十分小、质量轻、高强度的有机细线。

这样使电机的转轴半径变化量降到最小，是由于绕线重叠造成的力矩和转动惯量的变化降到最低，有利于减少系统的干扰因素，提高系统的精度和可靠性。

由于本设计方案通过控制步进电机转数来改变绳长从而控制滑块运动，所以机械部件自身和安装尺寸上都要求精密。

在机械部分设计时我们主要考虑以下几点。

1、按照要求固定滑轮和电机，为了方便连接，电机放在木板上方。

2、滑轮是专门为这个作品设计加工的，能够防止导线在运动过程中滑出，同时质量很小能够减小转动惯量，同时也增大了电机的驱动能力。

3、步进电机每步的角度确定，精度取决于电机上的绕线轮的半径，所以此轮的半径应尽量小，这里我们加工的绕线轮半径为10mm。

4、绳子绕在轮上时不一定很均匀，若叠在一起会使绕线的半径有变化；当滑块处于不同坐标点时绳上拉力不同，如果绳子有弹性，此时绳长就会有所变化。

基于上述考虑，我们选取了比较常见的缝鞋用的有机细线，这种线直径极小不到1mm，基本没有弹性，且质量轻强度高，是很合适的选择。

5、在安装时应尽量使两滑轮的中心、滑块重心、线绳与轮轴相切点在同一平面内，而且滑轮要能自由滚动尽量减小摩擦。

这样设计使电机的转轴半径变化量降到最小，是由于绕线重叠造成的力矩和转动惯量的变化降到最低，有利于减少系统的干扰因素，提高系统的精度和可靠性。

3.2.2智能控制部分的设计

（1）单片机最小系统的设计

核心单片机选用AT89C55WD，它是一款低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含20kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容89C51和89C52芯片，采用通用编程方式，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

由于本系统的主要控制数据是通过查表的方式获得的，且数据量比较大，为此我们在最小系统板上外扩了一块16k的EPROM27C128。

该单片机主要负责控制信号的输入、绘图控制算法的实现和两个步进电机的驱动，同时预留出串行通讯口已接受来自从单片机的处理后的检测信息。

从单片机的工作量比较小，我们采用了比较通用的可再现编程的AT89S52单片机。

它主要负责检测和处理来自机械测速器和光电传感器的信号并加以处理，同时，它还预留了实时显示滑块坐标的功能。

它最终把处理后得到的位置信息通过串口传送给主单片机，进行位置校准。

（2）数码管显示和键盘控制电路

键盘显示电路的核心芯片采用INTEL公司生产的通用可编程键盘和显示器电路的接口电路芯片8279。

8279可以实现对键盘和显示器的自动扫描，识别闭合键盘产生的抖动，实现显示器动态显示，可以节省CPU处理键盘和显示器的时间，提高CPU的工作效率。

另外，8279单片机的接口简单，工作可靠。

可以简化键盘显示电路，驱动两组四位的共阴数码管和十六个键的键盘，为了应用方便我们将键盘和8279放在了一起数码管及其驱动电路放在了一起如图（3）所示，74LS138也放在了显示电路中如图（4）所示。

8279的使能端和数据端口与单片机相连，单片机对显示的数据进行控制同时8279页在对键盘进行扫描，等待触发。

8279和键盘电路图图（3）

数码管显示电路图图（4）

（3）电机驱动电路

题目中滑块质量为大于100克的物体，用双电机驱动，电机的驱动力矩不需要太大但如果没有一定的余量步进电机容易出现丢步现象，所以我们选用KVSAN公司的42BYG016型步进电机，步距角为1.8度/步，最大静力矩900克每厘米，定位力矩小于等于150克每厘米。

驱动芯片选用L298。

L298是一款双H桥驱动器可以提供高电压、大电流的驱动芯片。

L298可以避免用分立元件带来的设计问题，电路异常简洁，其最大驱动能力为36V、2A。

它可以由单片机直接驱动，输出脉冲波型对电机进行控制，由图可以看到，有四个输入接口和四个输出接口，他们分别与单片机的I/O口一一对应相连，L298还有两个控制使能端，控制输出。

为了节省单片机资源我们将两个使能端都直接置高，使输出仅由单片机控制，使得控制更灵活方便又节约资源。

我们可以看到芯片共有两个输入电压，5伏为芯片工作电压，12伏为输出电压。

由单片机输出的五伏弱电流信号经过芯片内部电路的变化输出为12伏的恒流信号，四个输入口A、B、C、D依次通过脉冲，例如顺序是A、B、C、D电机顺时针转动，通电顺序是D、C、B、A，那麼电机逆时针转动，在电机的每一个输出口两端分别加一个二极管，这样是为了防止电机在断电的瞬间产生的感应电动势将器件烧毁。

如图（5）所示。

42BYG016型步进电机是五线四相制电机，有五条引线与驱动芯片相连，这五根引线中有一条是公共地线，通过查找相关资料和反复试验的基础上，我们确认橙色线是地线，而且通电顺序是：

红线、黄线、棕线、绿线，或通电顺序相反则反向旋转。

图（5）电机驱动电路图

（5）绳子位移量的测量

采用鼠标内部的机械滚轮，它实际上是一个结构简单巧妙的机械构件，内部为一个小圆盘，圆盘上是一些金属片，滚轮带动一个金属触点转动，可使两个引脚导通或断开，当滚轮连续转动时，则可根据测量导通的次数来计算轴转过的角度，继而精确的计算线绳位移。

由于滑轮上的线绳只有一圈，在滑轮上测量比较精确。

但滑轮为一从动部件，绳子给其的摩擦力不足以带动滚轮，所以将机械滚轮安装在电机转轴上。

因为选用线绳的直径极小，所以不会产生太大误差精度还是比较高的。

此部分电路十分简单，只需加一个5v电压和大电阻即可。

（6）纸面线段寻迹的设计

方案设计：

题目要求滑块沿板上标出的任意曲线运动，因为曲线颜色为黑色且有一定宽度，所以我们可以利用红外反射式检测器对黑色或白色有敏感反应的特性，对坐标纸上的黑色线进行检测。

与平时常见的小车寻迹不同，滑块自身没有动力，每走完一小步后都相当于停止，所以它运动的方向很难确定，若在各方向上都进行试探法搜索则程序会相当复杂，也不易实现。

为此我们在滑块上安装了5个红外发射接收对管，使它们围成一个半径为1.5cm的圆周。

我们使用的红外发射接受对管长约8mm，所给黑线宽约1.5cm，所以以这样圆周的方式安装传感器定会有某个传感器检测到黑线。

类似盲人用探路棒探路，在已知大概方向的前提下，探到哪里没有障碍物就向哪个方向走。

因为白纸上的黑线只有一条，所以可以向检测到黑色的那个传感器的方向走，这样传感器就起到了探路棒的作用。

具体可根据相对坐标平移的办法实现。

电路设计：

图中光传感器的1、2端为光发射，3、4端为光接收，当光电反射器在黑白面上移动时，4端便得到一个变化的脉冲电压，此电压经过一个施密特电路整形后得到一TTL电平传送到单片机。

为了适应实际情况，采取可变参考电压，