悬挂运动控制系统Word文档格式.docx
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但如果器件选择不当，可能会产生较大的压降，附加功耗增加，使电路过热甚至烧毁电路。
从系统稳定性和功耗上考虑，本系统选择了方案一。
2）单片机结构方案
使用单MCU结构。
单MCU结构可以有效利用单片机的硬件资源，在系统现有硬件的基础上尽量实现系统更多的功能，这是每一个系统的设计者努力追求的目标。
为了降低系统硬件成本，使用单MCU结构是较好的方案。
使用双MCU结构。
就本赛题来说，其硬件制作相对较少，如何在有限的几天内更好地利用人力资源，开发出更好的、更完善的系统将成为一个必须面对的问题，而且双MCU结构易于扩展升级。
因此，本系统使用了双MCU的结构来开发系统软件。
3）循迹模块方案
方案一：
采用CCD传感器，通过图像识别确定黑线轨迹。
此方案循迹稳定，但实现难度较大。
方案二：
采用反射式红外传感器，根据白纸与黑线的反射率不同辨别轨迹。
使用传感器组成阵列可以探测出轨迹的所有延伸方向，满足循迹的要求。
本系统使用了方案二。
4）输入输出模块方案
良好的人机交互界面使得设计更加人性化。
为方便操作者对整个控制过程有直观的认识，决定使用240×
128点阵式LCD实时地显示运动物体的运动轨迹和参数。
同时，为了扩展系统性能和方便操作，系统在使用4×
4键盘的基础上再添加一个PS/2鼠标，打算用来任意操作物体的移动。
经上述方案设计与论证，得到系统的总体框架图如图1所示。
图1系统总体方框图
二、系统原理与分析
1．步进电机特性
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，使得步进电机只有周期性的误差而无累积误差。
这一特性是整个系统方案的基础。
为了不产生累积误差，必须保证步进电机的运行不失步。
这和其运行矩频特性密切相关，如图2所示。
图2运行转距－频率特性
可见，对步进电机的驱动信号存在一个必须避开的频率――共振频率f0。
在本系统中，使用了电机是四相步进电机，步距角为1.8°
，采用四相八拍驱动方式，最小区分角为0.9°
，实测共振频率在510Hz左右，故系统所使的用每秒脉冲数（简称PPS，PulsePerSecond）应远小于共振频率以避开共振点。
2．物体运动的处理办法
根据“以直代曲，以割代弧”的思想，所有曲线上的弧线上都可用其割线代替。
只要能够平滑、精确地完成任意两点的移动，就能够完成按任意曲线的运动。
由于重力作用，在由过悬挂滑轮的直线分割的二维平面的下半平面内，由X-Y坐标系的一对坐标（X,Y）能唯一确定物体到两悬挂滑轮的距离。
为了处理方便，可以使用以两悬挂滑轮为原点的自然坐标对（L（x,y）,R（x,y））来表示物体的位置。
此时，L为物体到左边悬挂滑轮的距离，R为到右边悬挂滑轮的距离。
设有两点间的移动：
（x1,y1）（x2,y2），则可转化为（L1,R1）（L2,R2）的移动。
记ΔL=L2-L1，ΔR=R2-R1，设
为左边步进电机驱动的PPS，
为右边步进电机驱动的PPS，欲使两点间的运动曲线为直线，则应满足以下关系：
（式1）
而步进电机的转动方向则由ΔL及ΔR的正负来确定。
实践证明，这种驱动方式可以得到平滑的直线轨迹。
3．循迹黑线的探测及循迹算法
在以画笔为中心，半径22毫米的圆周上安装了8个反射式红外对管作为轨迹探测传感器，安装方式如图3所示。
图3轨迹探测传感器安装方式图4方向调整示意图
根据图3安装方式及安装半径，只要系统的采样频率足够高，轨迹是无法脱离探测范围的。
但由于使用了8个传感器，不同传感器信号间的组合太多，使用一般穷举办法难以实现循迹控制，因此自己设计了一套循迹算法。
如图4，定义了物体循迹时运动的8个方向，图中黑箭头（1号方向上）表示物体当前的循迹方向。
循迹时，使用变量Direct表示当前物体运动方向，物体每次运动时先按当前方向向前步进一段固定的距离，然后检测采样传感器信号并调整Direct，再沿新的Direct方向步进。
由于所给的曲线是连续的，所以每次调整Direct只能是＋1或－1。
如图4所示，Direct在需向左偏时则Direct加1，需向右偏则减1，继续前进则保持不变。
由于只有8个运动方向，所以对Direct的运算需在模8的范围内（0～7）进行。
现在考虑如何决定左偏或右偏的问题，使用上述调整办法只需要根据Direct的前后方向及左右方向的四个信号对Direct调整即可。
如图4中仅需根据1、3、5、7方向的信号对Direct调整。
由于每个方向上±
1和保持不变的传感器信号是一定的，故对8个方向上的调整策略用一个静态数组的形式保存起来，调整时直接查表即可，方便编程。
这种循迹算法大大地减少了循迹运动的调试时间，为整个作品成功的完成打下了基础。
当每次步进的距离较小时，若在Direct方向的前、左、右三处的传感器同时发现是白纸，则表明传感器探测到了曲线的间断部分或尽头，此时应根据前几次（2～3次）Direct的平均值作为探索方向，再向前步进2～3步，保证循迹的正确停止。
在取平均值时，需对70和07的转变作特殊处理，否则可能出错。
实践证明，按照上面的办法循迹迅速稳定，并且不会受交叉线的影响。
由于轨迹线有一定宽度，实际的轨迹不可能转折得十分迅速，当步进距离较小时，甚至可以完成锐角的循迹。
本系统使用的步进距离是8毫米，效果很好。
三、系统各模块电路设计及分析
1．步进电机驱动模块
图5为采用L297和L298所组成的步进电机驱动电路。
图5四相步进电机驱动电路
2．LCD显示模块（略）
3．PS/2鼠标模块
本作品使用了240×
128点阵式LCD作为显示工具，屏幕相对较大，故添加了PS/2鼠标作为输入设备。
PS/2鼠标使用TTL逻辑电平，与单片机接口方便，使用串行数据传输方式工作，占用单片机IO口少，且价格便宜，是一种实用的外围设备。
图6为PS/2鼠标接口的连接图。
图6PS/2鼠标接口图
当系统启动时，鼠标需要完成初始化工作。
本作品仿照个人电脑启动的方式完成了鼠标的初始化工作，并且最终将鼠标设置为如下方式：
工作模式：
Stream模式
采样速率：
100采样点/秒
分辨率：
4个计数值/毫米
缩放比例：
1：
1
数据报状态：
禁止
滚轮功能：
未开
没有使用滚轮功能，其数据包格式如表1所示。
表1鼠标数据包格式
字节1
X溢出
Y溢出
Y符号
X符号
中键
右键
左键
字节2
X轴位移量
字节3
Y轴位移量
根据设置，每次鼠标动作时将往单片机机发送一个数据包。
单片机接收到该数据包即可知道鼠标的全部动作，然后用软件根据需要处理即可完成移动、单击、双击等功能。
4．串行键盘模块（略）
5．传感器模块
采用了8个反射式红外对管ST168组成探测轨迹的传感器阵列。
8个传感器信号通过一个移位寄存器74HC165转换成串行数据，送往单片机处理，为循迹算法提供必要信息。
电路如图7所示，图中仅画出一路传感器的连接，其它7路传感器的信号分别连接到P1～P7引脚上。
图7传感器及信号处理电路
6．电源模块
用了三片大功率稳压片LM78H05K作为电源，其中两个分别给两个步进电机供电，第三个给其它所有器件供电。
四、系统软件设计
1．作品软件特色
嵌入式操作系统可以有效地管理硬件资源，加快开发周期，增加系统稳定度。
使用嵌入式操作系统开发系统，是对设计者思维的一种解放，使系统设计者可以将精力集中在对整个系统核心的设计上，而无需把精力过分地消耗在硬件细节上。
因此，本作品使用了嵌入式操作系统来进行软件开发。
由于使用的是凌阳公司的单片机SPCE061A，所以选用了凌阳公司相配套的MiniOS作为软件开发的操作系统。
2．系统软件总体设计
系统需完成人机交互、电机控制、循迹算法等功能。
在此基础上对软件设计进行分析、优化，得到系统软件总图如图8和图9所示。
图中各子任务是被MiniOS所管理的线程，线程间的调度切换由操作系统进行管理。
同时，利用MiniOS提供的中断管理功能，更是方便了整个系统的软件设计。
图8系统软件总图（其一）
图9系统软件总图（其二）
3．步进电机驱动算法子程序流程图
设dL，dR分别为物体从一点移到另一点时左右自然坐标的变化量，LSteps、RSteps为对应的电机所需的总脉冲数，则根据（式1）可得两点间直线运动的驱动算法，图10是程序流程图。
图10步进电机驱动脉冲流程图
4．双机通讯协议
由于在本系统中所传递的信息种类较多，并且某些信息需带有数据，单纯地使用UART收发数据难以满足本系统要求。
系统采用了使用数据帧传送信息的办法解决这个问题。
经过优化处理，下面是通讯所使用的数据帧格式。
表2系统所使用数据祯格式
首部
信息部分
尾部
0xff
0x7f
祯信息
数据1
数据2
……
0x01
上述数据格式中，在信息部分每个0xff发送为两个0xff，每帧数据必带首部和尾部。
利用0xff在数据帧中的特殊地位，可以简化接收端的软件设计。
图11是接收端的流程图。
图11接收端数据帧接收流程
五、系统测试与数据分析
1．测试仪器
FLUKE17B多功能数字万用表；
秒表、卷尺；
数字示波器TDS1002；
凌阳SPCE061A单片机系统；
YB1620P功率函数发生器；
直流稳压电源。
2．测量结果
1）自设运动的测量
表3自设运动测量数据
次数
轨迹长度（cm）
运行时间（s）
运行轨迹
120
25
正方形
2
26
2）圆周运动的测量
表4圆周运动测量数据长度单位：
毫米
初始位置
设定圆心
实际圆心
圆直径
（0，0）
（400，500）
（398，497）
500
24
（397，499）
499
23
3）定点移动的测量
表5定点移动的测量数据（从原点出发）长度单位：
设定坐标/
显示坐标
实际坐标
运动时间（s）
运动轨迹
X轴
Y轴
800
1000
998
797
994
20
直线
400
502
12
600
200
603
198
10
300
700
301
701
4）循迹运动的测量
表6循迹运动测量数据
连续段
间断段
长度（cm）
36
16
27
13
17
14
3
15
3．误差分析及改进措施
1）坐标转换的误差。
（X,Y）坐标向（L,R）坐标转换时使用几何分析的方法，但为了处理方便，将悬挂滑轮视为一点，没有考虑其半径。
本作品以减小其半径的办法降低误差。
同时，进行坐标变换时，单片机在计算精度上也会引进误差，由于使用浮点运算，该误差不大。
2）笔尖和悬挂点不在同一平面引入误差，应尽量使三点处于与地板平行的平面以减小误差。
3）步进电机的步进脉冲个数和步进线距离之间的折算误差。
作品使用了直接测量一段距离和步进个数再求平均值的办法降低误差。
4）牵引线引入的误差，包括拉伸误差和由松弛产生的误差。
改进措施是使用变形系数小的牵引线和增加悬挂物体的重量。
5）绕线产生的误差。
解决办法是根据力学分析采用机械的办法保证绕线不重叠，并且使用半径小的牵引线使绕线在横向延伸的距离减少，从而减少误差。
6）读数误差。
初始定位时需提供物体坐标，测量结果需人为读数，这会引入误差。
六、设计小结
本作品完成的功能和题目中要求的功能对比如下。
编号
赛题要求
实际指标
基本部分
能够设定坐标点参数
实现
物体在80cm×
100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成
实现，
轨迹清晰平滑，
过渡时间25s
控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，300秒内完成
圆心可设定，过渡时间小于30s
4
物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点
最远点的过渡时间为20s
发挥部分
能够显示画笔所在位置的坐标
实时显示当前的坐标值
控制物体沿连续曲线运动，限定在200秒内完成，
时间因长度而异，36cm时16s
控制物体沿间断曲线运动，限定在300秒内完成；
时间因长度而异，27cm时14s
其他
鼠标/键盘操作，中文菜单，LCD实时显示运动轨迹，可在任意方向开始循迹，运动速度快，轨迹平滑等
参考文献
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华中科技大学出版社，2002．
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[4]第六届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编．北京：
北京理工大学出版社，
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[5]罗亚非．凌阳16位单片机应用基础．北京：
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[6]薛钧义．凌阳16位单片机原理与应用．北京：
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