电子大赛一等奖 悬挂运动控制系统2.docx

1、电子大赛一等奖 悬挂运动控制系统2悬挂运动控制系统2005年电子大赛一等奖 文章来源：凌阳科技教育推广中心 作者：浙江大学 杜维 张建敏 陈勋 发布时间：2006-5-26 18:21:59 摘要：本系统采用凌阳16位单片机(SPCE061A)作为悬挂控制系统的检测和控制核心，实现通过人机界面对物体所作运动进行设定，通过LCD实时显示此时画笔所在的坐标值；系统具有可画出相应的运动轨迹，可自动跟踪曲线运动，语音播报是否完成任务等功能。运动参数的设定通过无线键盘输入，系统通过比较当前画笔所在位置与设定位置的差异以及运动类型，控制步进电机完成相应运动；曲线的跟踪采用红外传感器来实现；语音播报采用凌阳

2、单片机自带的语音模块来实现；在软件控制上采用了Divide & Conquer和探测、预测相结合的方法把画笔所要作的复杂运动分解成简单的直线运动，然后控制电机实现。关键字：Divide & Conquer、步进电机、红外传感、SPCE061A一、方案论证根据题目要求，系统由图1.1中模块组成。图1.1 系统模块框图1、控制器模块方案一：采用ATMEL公司的AT89C51作为控制器的方案。单片机运算能力强，软件编程灵活，自由度大。但是如果系统需要增加语音播放功能，还需外接语音芯片，实现较为复杂。另外51单片机需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。方案二：采用SPCE061A单片机来实现，此单片机

3、内置8路10位ADC和2路DAC，避免了外接A/D转换芯片和D/A转换芯片，并且I/O接口比较多，易于扩展外围电路，开发板集成了语音播报的硬件，通过软件编程即可以用于语音采集和播报。集成开发环境中配有很多语音API函数，实现语音播放比较简单，另外方便的是该芯片内置在线仿真，编程接口，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。2、曲线跟踪模块方案一：通过开关型霍尔传感器来实现，但是由于该方法只能跟踪磁性物质组成的曲线，成本高、安装起来比较麻烦，而且容易受环境中磁性物质的干扰，抗干扰性能不好。方案二：通过红外传感器来实现，通过安装在所悬挂物体上的红外对管，检测在运动平面上用黑色笔

4、所画的黑色曲线（或黑色胶布），由于黑色吸收发射管所发出的红外线，使接收管接收不到信号，系统通过接收管是否接收到发射管发出的测试信号，通过判断，用于控制步进电机的运动，实现起来简单易行。3、语音播报模块方案一：通过单片机来控制语音芯片来实现提示信息的播报。但是由于语音芯片成本比较高，而且扩展起来比较复杂，增加焊接难度和设计成本。方案二：如果控制器采用凌阳16位单片机SPCE061A，SPCE061A开发板自身集成有语音模块，不需要外围扩展，而且由于其集成开发环境自带的语音API函数库，可以减少开发难度和复杂度。二、详细软硬件设计经过上述的分析和论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下：(1) 控

5、制模块：采用SPCE061A 16位单片机；(2) 曲线跟踪模块： 采用红外传感器构成曲线跟踪模块；(3) 键盘模块：采用315MHz无线键盘和编解码芯片；(4) 显示模块：采用LCD构成显示模块；(5) 电机驱动模块：采用2相的步进电机实现；(6) 语音播报模块：采用SPCE061A 16位单片机自带的语音模块；(7) 电源模块：采用过滤，滤波，稳压等电路实现。系统总的框图如图2.1所示，硬件连接图如图2.2所示。图2.1 系统框图图2.2 系统硬件连接图1、硬件设计（1）无线键盘单元的电路的设计a） 发射模块电路图如图2.3与图2.4所示。图2.34路信号发射部分编码部分采用PT2262芯

6、片，输入是4路独立的二进制信号，可以用一个164编码电路扩展，组成16路的控制信号做为输入；发射电路采用现在市场上用OOK实现的315M无线电发射模块。图2.4164编码模块与接口按键功能安排如表2.1。表2.1 按键功能表键号 K0 K1 K2 K3 功能 输入“ 0 ” 输入“ 1 ” 输入“ 2 ” 输入“ 3 ” 键号 K4 K5 K6 K7 功能 输入“ 4 ” 输入“ 5 ” 输入“ 6 ” 输入“ 7 ” 键号 K8 K9 K10 K11 功能 输入“ 8 ” 输入“ 9 ” 模式转换 确认 键号 K12 K13 K14 K15 功能 左电机（上） 左电机（下） 右电机（上） 右

7、电机（下） b） 接收模块电路如图2.5所示，接收部分也是采用现成的模块，完成OOK的315M信号的接收，该模块只需将电源和地接好，自己焊上天线，RES端就能完成将接受到的315M频率的OOK调制信号解调的功能，输出基带信号。接收信号输入PT2272完成解码。图2.5无线接收解码模块（2）红外传感模块的设计电路如图2.6所示，采用了8对红外发射接收对管，分布成圆形，其中每个对管分别表示物体的上、下、左、右、左上、右上、左下、右下方位置，实现对曲线信息的跟踪。图2.6 红外遥感模块（3）LCD显示模块的单元电路的设计本设计采用1602系列的LCD模块，电路图如图2.7所示。图2.7 液晶显示模块

8、（4）步进电机模块的单元电路的设计通过驱动电路控制两相步进电机的正转和反转，实现物体的上升和下降以及步进。本设计中采用两相步进电机57BYG250，可以实现0.9度步进，易于控制其精度。驱动电路采用HB202M模块，其原理为：驱动模块可以采用12V36V供电，CP端用于控制电机的步进，CP的上升沿信号使电机步进0.9度；CW端用于控制电机的转动方向，输入高电平正向转动，低电平反向转动；FREE端用于控制电机的锁定转矩，高电平电机不能保持锁定状态，低电平可以使电机停止转动。电路如图2.8所示。图2.8 步进电机驱动电路（5）智能控制部分的单元电路的设计采用以凌阳SPCE061为核心的单片机系统-

9、SPCE061A精简开发板，利用其端口控制和中断能力，实现人机交互，控制对物体所作运动的设定和画出物体运动轨迹，同时控制实现LCD实时显示此时显示画笔所在的坐标值、自动跟踪任意曲线运动、语音播报是否完成任务等功能。（6）语音模块电路的设计由于SPCE061A精简开发板上已经集成语音录入和播放模块，而且集成开发环境下提供了语音函数库，使用起来方便易行，本系统直接采用该开发板的语音功能就可以了。（7）电源模块的设计由于电子电路在多数情况下都需要用直流电源供电，而电力部门所提供的是50Hz的交流市电，所以需要把交流电经过整流，变成单向脉冲电流，通过滤波器去除脉动成分，变成需要的直流电源后，才可以使用

10、。为了保证电子电路的稳定可靠的工作，还需要对直流电源实施采取稳压措施。电源模块的电路图如图2.9所示。图2.9 电源模块2、软件设计总的工程程序包括初始化程序、无线键盘查询程序、步进电机控制程序等部分。（1）主程序流程图2.10 主程序流程图（2）初始化程序流程初始化的I/O口包括LCD所用端口、无线键盘输入端口、红外位置传感器输入端口和电机驱动输出端口；初始化状态变量包括驱动任务、当前位置坐标等；允许IRQ4中断，是因为在此中断中进行电机任务处理。程序流程图如2.11。图2.11 初始化程序流程图（3）步进马达控制流程（Divide & Conquer）系统采用Divide & Conque

11、r的策略，将任意的复杂运动分解为折线运动，设计的控制系统实际上是完成一个一个的直线运动，再用相应的合成方式组合成任意的复杂运动。对于直线运动，又将其分解最小直线单位运动，由X轴方向和Y轴方向运动的合成。综合下选择步进基本单位为0.5毫米。如图2.12。图2.12 Divide & Conquer的策略在用最小直线单位运动组成一条长直线运动时，采用追击的算法，即每完成一个最小直线单位运动，重新计算当前到达点和目标点的斜率，在当前点的实际坐标基础上向目标点做最小直线单位运动移动，这样的好处是不会累计误差，同时能平滑锯齿现象。对于圆之类的图形，先用几何的方法分解为一条一条直线，存入任务列队中，然后用

12、上述算法逐条实现即可。电机中断服务程序流程图如图2.13。图2.13 电机中断服务程序流程图（4）无线键盘查询流程无线键盘的工作原理在前面已经介绍，只要接收到键值相应电平就会置高，数据位变为接受到数据的编码，这时单片机根据编码数据就可以判断是哪个按键；单片机判断按键后根据表2.1的功能进行任务处理，处理程序流程图如图2.14。图2.14 无线键盘查询处理程序（4）自动跟踪模式流程图程序流程图如图2.15所示。图2.15 自动跟踪模式流程图三、测试说明1、转轮周长的测量 （1）测试仪器:卷尺：量程5m。（2）测试方法用测试程序控制转轮转动5周，然后测其总周长，然后求其平均值。（3）数据的记录表3

13、.1 转轮周长测量数据初始长度 cm 122.35 105.65 130.55 平均值 转动 5 周后 cm 28.40 12.25 36.30 5 周总长度 cm 93.95 93.40 94.25 98.67 （4）测试结果平均周长 98.67/518.773cm2、自行运动情况测试（1）测试仪器秒表，直尺，坐标纸。（2）测试方法和步骤由于系统具有根据设定自由运动的功能，通过设定悬挂物体所要经过的点，然后对比设定值和悬挂体实际所到点的坐标值，分析系统相应误差，同时由秒表记录完成相应运动所需的时间，完成相应的记录。（3）测试数据记录表3.2 自行运动测量数据序号 X坐标设定cm Y坐标设定c

14、m 实际X坐标cm 实际Y坐标cm X轴误差cm Y轴误差cm 1 40 0 40 0.2 0 0.2 2 75 0 74.3 0.2 0.7 0.2 3 75 50 74.6 50.0 0.4 0 4 75 100 75.1 99.0 0.1 1 5 40 100 39.5 97.5 0.5 2.5 6 0 100 -0.6 100.0 0.6 0 7 50 50 49.8 50.7 0.2 0.7 8 0 50 0.2 50.0 0.2 0 9 0 0 -0.1 -0.1 0.1 0.1 X坐标的平均误差为：（0+0.7+0.4+0.1+0.5+0.6+0.2+0.2+0.1）/90.31

15、cmY坐标的平均误差为：（0.2+0.2+0+1+2.5+0+0.7+0+0.1）/90.52cm（4）测试结果分析在Y方向的误差，到了（40，100）点，由于此时两条绳子的受力最大，误差较大。3、自动曲线跟踪的测试（1）测试器件采用题目要求安装的平台、光滑的纸板、黑色的胶布；（2）测试方法和测试步骤用黑色胶布，在光滑纸板上贴出各种运动轨迹，然后观察悬挂物体的运动轨迹。（3）现象记录曲线的跟踪（图3.1中连续曲线的间断点为1cm的间隔）轨迹1 轨迹2 轨迹3图3.1 运行轨迹悬挂物体能够沿着运动轨迹平稳的走完全程，并且平稳的停在另一个端。（4）测试结果的分析通过上面的现象可以得出，系统能够准确

16、完成连续曲线和自动曲线的自动跟踪。四、结论本系统是集成语音功能的智能悬挂物体控制系统，它以凌阳16位单片机SPCE061为核心部件，利用红外传感检测技术和步进电机的控制技术，可以实现：（1）通过无线键盘对系统进行远距离控制以实现人机互动；任意设定坐标点的参数；（2）控制物体在80*100cm的范围内进行任意运动，并远远可以满足题目运动时间限制的要求。（3）能够通过LCD实时显示，悬挂物体所在点的坐标值，并且在相应模式的设定过程中，显示相应的提示信息；（4）能够通过语音模块进行相应信息的播报，使其更加人性化，智能化；（5）能够自动跟踪板上任意标出的连续黑色曲线和断续的黑色曲线。最终完成了题目中所

17、有的基本要求和发挥部分，并且增加了一些新的功能，例如画圆时增加了半径可以改变的功能、加入了语音提示、人性化显示等功能，使系统更加智能化，人性化。在设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件设计的优势，编程灵活方便来满足系统的要求。在实物制作阶段，由于悬挂物体所用的绳子具有一定的张力，导致在某些特定部位，绳子受力过大，产生的误差较大，后来通过改换具有较小弹性系数的绳子和采用软件补偿的方法，基本消除了由于绳子张力而带来的影响。五、参考文献1微机原理与接口技术 王汀 主编 北京化学出版社2电子系统设计（第三版） 何小艇 主编 浙江大学出版社3C语音程序设计（第二版） 谭浩强 主编 清华大学出版社4凌阳16位单片机应用基础 罗亚非 主编 北京航空航天大学出版社