电子大赛一等奖 悬挂运动控制系统.docx

1、电子大赛一等奖 悬挂运动控制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：2006-5-29 11:28:19 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

2、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

3、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

4、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

5、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 IOA10 ： 0 用于 LCD 液晶显示 IOA14 ： 11 用于电机驱动控制 IOB7 ： 0 用于 4 4 矩阵式键盘IOB11 ： 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

6、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

7、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in拉低，输出为低电平。当检测

8、到黑线时，接收管截止，同相输入in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IOB8IOB11。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57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：2.954.35（WH）mm其典型应用接口图如图2.6。本系统中DB0DB7连接SPCE061A的IOA0IOA7，EP连接IOA8，R/W连接IOA9，RS连接IOA10。图2.6 1602与

9、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44键盘，其电路原理图如图2.7。图中C1C4为44键盘的列信号，L1L4为44键盘的行信号。在本系统中，用IOB4IOB7连接键盘的列信号C4C1；用IOB0IOB3连接键盘的行信号L4L1。图2.7 44键盘电路原理图在本系统中，S1S3、S5S7、S9S11、S13为数字键，如图2.8，S4、S8、S12、S14S16为功能键。图2.8 44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1m

10、m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c0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d0时，电机正转（或拉线伸长）d=d0-d1根

11、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

12、圆周上的任意一点，由此确定圆的方程为： (x-x0)2+(y-y0)2=252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+qv在周期t,t+2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n SP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.

13、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

14、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： 1 启东计算机总厂 3 双踪示波器 DS 5022M 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

15、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

16、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 0.200.50 22.55 语音提示 2 40.00 ， 40.00 39.80 ， 39.70 0.230.45 16.80 语音提示 3 70.00 ， 85.00 69.80 ， 84.40 0.240.38 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

17、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 1 梅遂生，杨家德 . 光电子技术信息装备的新秀 M. 北京：国防工业出版社， 1999 2 张友德，赵志英，涂时亮。单片机微型机原理应用与实验（第三版） M. 上海：复旦大学出版社， 2000 3 黄智伟 . 全国大学生电子设计竞赛训练教程 M. 北京：电子工业出版社， 20054 罗亚非 . 凌阳 16 位单片机应用基础 M. 北京：北京航空航天大学出版社 .2005 5 薛钧义 . 凌阳 16 位单片机原理及应用 M. 北京：北京航空航天大学出版社 .2003 6 何希才 . 电动机控制电路应用电路实例 M 。北京：中国电力出版社 .2005