悬挂运动控制系统.docx

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悬挂运动控制系统

悬挂运动控制系统

摘要:

本系统以实现对悬挂物体精确控制为目的，采用总线结构，各功能模块独立设计，由主控芯片统筹调度，高效而快捷地实现了系统各项功能。

系统以协定好的总线数据包为通信纽带，多块高性价比的AVRMCU构成主从控制网络，各模块分散控制，自主设计的H型恒流电路完成电机驱动，独特的双液晶显示实现友好的人机交互界面以及对系统状态的直观而实时的监控，巧妙的电机-双探测器寻迹方式保证了轨迹跟踪具有极宽的探测范围和很高的跟踪精度，全浮点的算法使得字长效应对控制精度的影响减到最小。

基于可靠的硬件设计，高效的软件算法，整个系统具有相当高的性能。

关键词：

总线电机-双探测器寻迹实时界面

Abstract：

Thissystemisdesignedwiththepurposeofcontrollingthesuspendedobjectprecisely,adoptingBusarchitecture.Eachfunctionmoduleisdesigneddividedly,commendedbyMasterChip,performingeachsystemfunctioneffectuallyandquickly.

Systemcommunicatethroughmessagepacketsmeetingwithprotocolwhichisthetacheconnectingsystemmodulesasawhole,constructingthemaster-slavecontrolnetmadeupbyseveralAVRMCUofhighperform-priceratio,realizingdispersedcontrol.Self-designedH-typeconstant-currentcircuitscompletethetaskofdrivingthemotorsexcellently.SpecialDouble-LCDachieveafriendlyhuman-machineinteractiveinterface,andmonitorthesystemstatedirectlyandReal-time.Skillfulmotor-doubledetectorseeking-tracemodeguaranteesverylargedetectareaandtracingprecision.Allfloating-pointarithmeticreducethefinite-byte-widtheffecttosmallest.

Baseonreliablehardwareandeffectualsoftwaredesign,thissystemisqualifiedwithquitehighperforms.

Keyword:

Busmotor-doubledetectorstracingReal-timeinterface

摘要………………………………………………………………………………………1

Abstract………………………………………………………………………………..1

目录………………………………………………………………………………………2

第一章总论……………………………………………………………………………4

1.1作品介绍…………………………………………………………………………..4

1.2设计概述…………………………………………………………………………..5

1.3方案论证及比较.……………………....…………………………………………..7

1.3.1总体方案选择……………………….…………………………...…………....7

1.3.2微控制器的选择……………………….……………………………………...7

1.3.3电机驱动模块的论证与选择………….……………………………………...8

1.3.4寻迹方式的论证与选择………….…………………………………………...9

1.3.5供电方式的选择………….…………….……………………………………..10

第二章基于总线结构的电路原理分析和设计………………………...……………….11

2.1硬件电路总体设计思路…………………………………………………………....11

2.2主机模块设计……………………………………………………………………...12

2.2.1串行通信概述……………………….…………………………...……….…..12

2.2.2主机模块电路设计……………………….……………………...…….……..12

2.3人机交互界面设计………………………………………………………………...13

2.3.1人机交互模块电路设计………..………...……………………………...…...13

2.3.2LCD1显示界面设计.……………………………………………...…………..15

2.3.3LCD2仿真液晶显示设计…………………………………..…………………16

2.4电机驱动模块设计………………...…………………………………………......17

2.4.1步进电机简述……………………………...………………………………..17

2.4.2模块电路总图……………………………...………………………………..18

2.4.3恒流电路…………………………………………………………………….18

2.4.4H型驱动电路………………………….…………………………………….18

2.5跟踪寻迹模块设计………………...…………………………………………......19

第三章系统软件设计……………………............................…………………………...21

3.1系统软件概述…………………………………………………….……………….21

3.1.1串行通信程序设计……………………..……………………………………21

3.1.2总线数据块格式……………………..………………………………………22

3.2主机模块程序设计………………………………………………………..………23

3.3人机交互界面模块程序设计……………………………………………..………25

3.3.1LCD工作简述……………….…………..……………………………………25

3.3.2LCD1及键盘程序流程图.,.……………..……………………………………25

3.3.3LED及无线发射模块程序设计计……………………………………………26

3.3.3LCD2程序设计……………………………..…………………………………26

3.4电机驱动模块程序设计……………………………………………….…..………27

3.5电机寻迹模块程序设计……………………………………….…………..………27

第四章系统测试……………………………………………………..…………………28

4.1测试仪器及方法………………………………………………….………………28

4.2测试结果……………………………………………….………………………….28

4.2.1人机界面测试……………………...………………..……………………….28

4.2.2自设运动测试……………………………………….……………………….29

4.2.3圆周运动测试……………………………………….……………………….29

4.2.4设定点运动测试……………………………………….…………………….29

4.2.5轨迹跟踪测试……………………………………….……………………….29

4.3分析总结…………………….……………………………….………….…………30

第一章总论

1.1作品介绍

本系统电路主要包括四大部分，主机模块，人机交互模块，电机驱动模块，跟踪寻迹模块，其中每个模块内部又由一些更具体的功能单元或微控制部分组成。

系统的主要特色有：

1．采用总线架构，分散控制：

●多片AVRMCU构成主从模块，通过串行总线通信，协调系统运作

●模块化设计方案，功能明确，系统高效简洁

●采用各模块挂总线的模式，功能扩展快速便捷

2．巧妙的电机寻迹方式：

●以电机带动光电检测器的方式进行360度轨迹探测

●定位轨迹两边界，确保悬挂物运行于已定轨迹中心，保证跟踪精度

●采用双频双探测器实现间断线（断点<1.5cm）零影响，抗干扰强

3．丰富友好的人机交互界面：

●多种状态显示方式：

LED数码显示，LCD数据显示，LCD图形仿真显示

●采用菜单式操作界面，系统设定简单明了

●以图形显示方式，实时显示悬挂物坐标及运动轨迹

●以类DOS界面方式显示系统状态信息

●带无线收发模块，可实现远程监控

●标准12键手机键盘，易于上手

4．高效的软件算法：

●采用哈佛结构的AVRMCU，使复杂的定位运算快速实现

●全浮点运算，将有限字长效应降到最小

●采用特定的信息包格式，保证系统通信顺畅

5．优秀的PCB工艺：

●系统所有PCB板的工艺都达到了手工制板的很高水平

1.2设计概述

根据大赛题目的要求，我们的任务是设计一模型，实现对系统内悬挂物体的控制，并满足运动精度、速度、载重、显示等方面的要求。

系统的设计包括三方面：

机械模型硬件电路软件设计。

我们完成了这三个方面的设计与实现后，将各部分有机整合，构成了完整的悬挂运动控制系统。

在机械模型方面，采用夹层板作为墙，从减小悬挂线形变以增加运动精度的角度出发，对电机的位置进行了少量调整――减小悬挂线的长度以达到减小形变的目的。

电机驱动电路模块直接安装于步进电机下方。

模型实物大致如图1－1。

在硬件电路方面，采用主从单片机通过串行总线构成整个硬件系统。

主机对系统所有数据的进行收集、处理，图1-1机械模型

处理后的数据通过总线发送给从机。

从单片机和特定的外围电路构成各个模块，完成相应功能。

各模块简述如下：

主机。

为保证主机有足够的资源进行数据处理和系统统筹，主机模块的外围电路相对简单，主要在软件上实现各种运算和整个系统的调度。

人机界面。

丰富友好的人机交互界面是本系统的特色之一。

模块中，由一单片机负责管理一块液晶显示屏（LCD1）和3×4键盘。

通过LCD1和键盘可以进行系统参数的输入设定，实现人机交互。

另一片单片机负责LED数码显示及无线发

射模块。

LED数码显示的目的是将系统重要数据图1-2主机模块电路

（本系统中悬挂物位置坐标）进行显示，以弥补液晶显示字体大小，亮度方面的不足。

第三块单片机作为仿真液晶显示的驱动芯片，负责这块液晶的显示以及无线接收。

通过无线收发模块，可以在一定距离以外对系统进行监控，同时，由于将这片单片机单独分配，作为这块液晶的驱动，因而可以提片内资源来丰富显示手段。

系统中，我们在液晶上对模型进行了仿真，在绘图区实时显示悬挂物当前的位置以及运动轨迹，在类DOS界面显示区显示系统的各项信息。

电机驱动控制模块。

系统共有两个电机驱动模块。

由于系统的对称性，这两个模块的电路形式和功能完全一样，各由一块mega8进行管理。

电机驱动模块采用复合三极管和运放TL082构成恒流电路，采用TIP41C,TIP42C构成H型驱动电路，实测证明，电路完全能满足系统牵引力的要求。

跟踪寻迹模块。

该模块由两套光电对射管传感器和一个电机组成，由一块mega8管理。

电机带动光电传感器进行360的运动以探测轨迹的位置，并将数据返回主机，两套传感器可轻松克服间断线的影响。

为方便数据的收发，总线上的数据包采用两种固定格式（仅对数据部分的系统约定），一种为主机收集的数据包，另一种为主机发送的数据包。

我们把所有从机待发送的数据编排成一个19字节的数据包，每个从机只需将有用数据封装进包内即可，由主机进行判断处理。

同样，主机将处理后的信息封装成一个12字节的数据包，轮流发给每个从机，由从机筛选需要的信息。

经过实现，系统最终可达到的性能指标如下：

可通过3×4键盘输入各项参数，包括悬挂物定位坐标和目的坐标。

悬挂物可进行设定的运动（三角形），轨迹总长约90cm，用时约200s.

通过3×4键键盘设定圆心后，悬挂物可进行直径为50cm圆周运动，用约100s。

系统定位原点后，可运动到任何设定坐标，轨迹为40cm时用时60s。

系统多种方式均可准确显示悬挂物（画笔）当前坐标，包括LCD1数字显示，LCD2数字，仿真图形显示，LED数码管数字显示。

系统可跟踪任何形状曲线，曲线间断点小于1.5cm时不造成任何影响，曲线为50cm时用时280s。

1.3方案论证与比较

1.3.1总体方案的选择

经过我们的多方查证和分析，对悬挂运动控制系统硬件电路有以下几种实现方案：

方案1：

采用整体控制方法。

即采用一到两个控制器对各个功能进行协调控制，使系统各个功能得以实现。

这也是我们最初的拟选方案。

但是，经分析，该方案有如下缺点：

1）控制混乱。

由于众多功能集中在一两个控制器上，使控制器的操作异常混乱，控制思路极不清晰。

2）相互干扰大。

由于数据的处理，硬件的控制都集中在一起，各种电路间相互影响，容易产生干扰而使系统出错。

3）由于悬挂运动控制系统分布空间较大，如果采用整体控制方案，则相互间的互联线将十分繁杂冗余。

从这些考虑出发，结合我们模型机械构造的要求，我们舍弃了这一方案。

方案2：

采用高级单片机（如arm、DSP等）为系统的核心部件，负责整个系统输入、输出信息的处理和储存，控制等从而达到设计目的。

由于我们对此类芯片较生疏，学习周期长，不符合在短时间内实现的要求。

此外，系统成本也是一个我们需要考虑的问题。

因此，我们也没有采用这种方案。

方案3：

采用串行总线结构。

即采用一片高性能的单片机作为主机（或PC机，但由于大赛的要求我们取消了pc机的部分），负责系统数据处理。

各个功能模块各用一片低成本的单片机作为从机，负责具体功能的执行。

主机与从机的数据通信采用串行总线方式。

此方案结构清晰，各功能模块间相互独立，互不影响，方便各模块的独立设计与维护，基于这些考虑，我们采用了设计方案3。

1.3.2微控制器的选择

我们较熟悉的微控制器芯片有通用的51系列单片机，爱特美尔的avrmega系列单片机，微心的PIC系列单片机，以及ALTRA的CPLD。

结合到本系统，由于系统悬挂物位置的确定需要经过较复杂的运算过程，同时为了保证精度，我们需要一定的字长，采用冯.诺曼结构的51系列单片机片内资源及速度都有所欠缺。

从减小设计风险出发，我们舍弃了这一方案。

微心公司的单片机向来以稳定性和针对性而被工业界普遍采用。

而且，PIC单片机采用哈佛结构，能满足系统运行速度上要求。

从长远使用的角度，采用微心公司的PIC系列单片机在稳定性上有一定的优势。

但作为一个参赛作品，这种优势并不明显。

而让我们彻底放弃PIC系统单片机的原因是，该系列单片机的低端产品中多数没有硬件乘法器。

没有硬件乘法器的微控制器几乎没有可能高效的实现这一系统。

CPLD在运算速度上有绝对的优势，但在实现上的复杂程度远远大于单片机，由于我们对CPLD的熟悉程度有限，故不敢冒此风险。

同样是爱特美尔公司的Atmega系列单片机是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，使Atmega系列的数据吞吐率高达1MIPS/MHz。

而该系列的mega8被认为是性价比最高的单片机之一。

结合到本系统的运算量，速度，精度等各方面的要求，mega系列单片机是一种极优的选择。

故我们采用它来实现本系统。

1.3.3电机驱动模块的论证与选择

1．电机的选择

我们可选电机主要有交流电机，直流电机，步进电机三种。

交流电机：

速度控制复杂，调试困难不利于在短时内实现。

直流电机：

在载物停止时需要加电维持，且载物重量变化所需电压也要同时变化。

步进电机：

比较而言，步进电机更易于控制，可通过控制脉冲个数来控制角位移量，实现准确定位；同时可通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

另外，电机停止时可以锁步，载重变化不影响电机状态。

因此在需要准确定位或调速控制场合均可使用步进电机。

从方案的具体可行性以及方便快捷出发，我们选择了步进电机。

2．电机驱动方式的确定

步进电机的驱动主要是指功率放大部分。

步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流。

平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。

因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：

恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

由于恒压驱动时电机力矩随着控制脉冲频率的增大而减小，容易产生丢步甚至堵转。

在这本设计中，我们采用H型恒流驱动电路，该电路由于工作在管子的饱和截至状态下，效率高，同时，H型电路可以简单的实现转速和方向的控制。

1.3.4寻迹方式的论证与选择

根据大赛题目的要求，系统需要跟踪一段连续的曲线和一段间断的曲线。

我们讨论得出的实现方案有两个，一是采用传感器矩阵，一是电机带动传感器寻迹。

采用传感器矩阵，可用不同频率，在各个方位上布置传感器，由传感器将测试信息返回系统。

显然，跟踪的可靠性将和传感器的个数正相关，传感器越多，跟踪特性越好。

该方案具有如下优点：

1）硬件设计简单，不涉及机械部件；2）寻迹速度快；3）成本较低（如果采用简单的光电对射管作为传感器，成本相当低）。

但是，该方案的最大缺点是寻迹的可靠性需要复杂的软件逻辑来保证，如果软件设计稍有漏洞，将导致系统的错误执行结果。

而且，该方案克服间断点的逻辑也较为复杂。

从比赛时间上考虑，我们没有采用这种方案。

电机带动传感器寻迹。

原理如右图：

其机械结构为：

在一电机轴心安装笔心，作为悬挂物位置点，在与电机轴向垂直的方向安装一小木片，在木片上安装两个传感器，与轴心的距离为3cm和4.5cm。

电机转动带动传感器做圆周运动，同时在一个圆周范围内进行探测，

如果探测到预定轨道的存在，则将轨道

两侧的角度返回系统，由系统计算出两侧图1-3电机传感器寻迹原理图

的中心角度，则悬挂物下一运动的目的坐标即为两个标记点的中点（近似为轨道中心）。

这样就保证了悬挂物总是停顿在轨道内（只有在轨道转角很大时会在两个小步间稍稍离开轨道），从而实现连续轨道的寻迹和跟踪。

当传感器转动一周后，传感器2没有检测到轨迹的存在，此时查询传感器1反馈回来的信息，由于两传感器间距为1.5cm，而轨迹间断约为1cm，故在间断线内，至少有一个传感器会检测到轨迹的存在，从而可以确定下一个停顿点。

而当两个传感器均检测不到轨迹的存在，系统认为轨道结束。

当然，具体实现起来我们还要考虑运动的方向问题。

此方案有如下优点：

1）寻迹可靠。

2）逻辑简单。

3）可消除间断点影响。

4）跟踪精度高。

同时，改方案也存在一些要考虑的方面比如机械的复杂程度大，精度要求高，寻迹速度是否可以满足要求。

经过我们分析计算，我们得出的结论是此种方式的一次寻迹时间为毫秒级，仍然远远小于题目给定的时间。

为了获得较高的跟踪精度，我们决定采用这种方式。

1.3.5供电方式的选择

方案1：

所有模块均用同一电源供电。

这种供电方式比较简单，但是，由于电机工作时瞬间电流大，反电势也很大，易造成电压不稳，纹波等，严重时还会使单片机掉电，使整个系统瘫痪。

方案2：

采用多电源供电。

将电机驱动电源与其他各功能模块电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。

这样的供电方案虽然不如单电源灵活，但可以将电机驱动所造成的不良影响彻底消除，提高了系统的稳定性。

我们认为对于电梯控制这样的系统，稳定性至关重要，故采用方案2。

第二章基于总线结构的电路原理分析和设计

2.1硬件电路总体设计思路

本系统采用串行总线结构，各功能模块独立设计后挂于总线上。

各功能模块包括主机模块，人机交互界面，仿真液晶显示，电机驱动模块，跟踪寻迹模块。

系统结构图如下：

图2-1主机模块电路

在这个系统中，每一个功能模块都采用一块（或更多，根据资源情况）单片机作为控制器，负责本模块的操作实现。

模块的操作包括两部分内容：

1、模块内部控制操作。

这项内容各功能模块有所不同，如电机驱动模块主要负责电机运动状态的控制，而跟踪寻迹模块则完成寻迹跟踪等功能。

2、总线操作。

每个功能模块的单片机均要接收、发送一个固定帧格式的数据包。

发送数据包前，每个模块将模块内待发送数据封装成数据包，按照串行总线协议进行发送。

主机处理数据包后，发回给各个模块，各模块接收数据包后，取出有用数据（命令），并执行相应操作。

2.2主机模块设计

2.2.1串行通信概述

串行通信是指通信发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位移动的。

它的优点是只需一对传输线进行传送信息,因此其成本低，适用于远距离通信。

在一般应用中，MCU简单地把数据写入数据寄存器即可实现一个字符的串行发送，SCI系统完成发送数据的所有细节工作，包括附加起始位和停止位以符合串行格式。

SCI的接收器自动探测一个字节的起始位，并通过采样接收数据。

接收串行数据并变换成并行数据的所有工作均由SCI完成，不需要MCU的干预。

接收到数据后，MCU简单地从数据接收寄存器读取数据即可。

2.2.2主机模块电路设计

系统中，主机作为数据处理中心，在整个系统中的作用十分重要，它的运行情况直接影响着整个系统的状况，为了设计的可靠性，其外围电路设计得相对简单，以集中其所有可利用资源来进行复杂的数据处理，协调整个系统的有序运行。

其外围电路为单片机运行仅需的电路如10M晶振，简单复位电路以及电源等。

具体电路如下：

图2-2主机模块电路

2.3人机交互界面设计

2.3.1人机交互模块电路设计

大赛题目要求中基本要求1及发挥部分要求1，系统需要有可进行输入和显示输出的人机交互界面。

从完善系统的人机交互界面出发，使其更为方便，友好和直接，我们设计的人机交互界面为：

1）3×4键键盘，符合手机键盘标准，易于操作。

2）两块LCD液晶显示屏。

其中一块为TG12864EL（LCD1以下LCD1均指这一块液晶不再特别说明），另一块为ACM240128（LCD2）。

其中LCD1完成操作界面的功能，无操作时进行简单的状态显示。

LCD2完成系统直观，实时的仿真显示，带无线接收模块，可进行远程监控。

3）8位LED数码显示，显示系统重要参数。

由上面的功能要求，我们进行资源配置情况如下：

1）一块mega16控制12键键盘及LCD1；2）一块mega8控制LED显示及一无线发射模块。

3）一块mega8实现LCD2的管理。

由此，我们设计的电路原理图如下：

图2-3人机交互模块电路（LCD1及键盘部分）

其中，单片机的A口及C口分配给LCD1作为器数据线及控制线，D口分配给12键键盘。

图2-4人机交互模块电路（LED及无线发射部分）

为了有效节约单片机的I/O口资源，我们对LED的驱动采用了两片串并转换芯