物理畢業(yè)論文題目-物理與信息工程畢業(yè)論文

1、物理畢業(yè)論文題目-物理與信息工程畢業(yè)論文    本系統(tǒng)采用凌陽16位單片機SPCE061A作為控制中心，由直流步進(jìn)電機、紅外收發(fā)對管、4*4鍵盤及中文液晶顯示屏構(gòu)成的懸掛運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自由控制懸掛物體完成自行設(shè)定運動、畫圓運動、沿黑線運動等，并能正確顯示物體到達(dá)的坐標(biāo)位置。 SPCE061A單片機 中文液晶顯示屏 逼近畫圓算法 A Control System For Suspension Movement AbstractThis design uses SPCE061A as the control core to build a suspe

2、nsion movement control system which consists of a DC step motor, infrared emitting tube, 4X4 keyboard and an LCD display screen for Chinese characters. The system can control the suspended objects to complete the movements set by itself, such as drawing the circles, moving along the black lines and

3、doing other movements. It also can display the correct location of the coordinate where the object reaches. Key words: SPCE061A Single chip， Chinese characters LCD， Closing Algorithm for circle drawing 一、方案的選擇與論證 1、單片機選擇 方案一：采用傳統(tǒng)的8位89C51單片機作為運動物體的控制中心。51 單片機具有價格低廉,使用簡單等特點，但其運算速度低，功能單一，RAM、ROM空間小等缺點。

4、本題目在確定圓周坐標(biāo)值時，需要進(jìn)行大量的浮點數(shù)運算，若采用89C51需要做RAM，ROM來擴展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。 方案二:采用16位單片機SPCE061A作為運動物體的控制中心。SPCE061A具有豐富的資源：RAM，ROM空間大、指令周期短、運算速度快、低功耗、低電壓、可編程音頻處理，易于編寫和調(diào)試等優(yōu)點。尤其在復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，其運算速度快，精度高，在控制步進(jìn)電機時運行速度比一般51單片機快?；谏鲜龇治觯瑪M選擇方案二。 2、電動機選擇 方案一：用步進(jìn)電機實現(xiàn)物體的精確定位和方向控制。步進(jìn)電機是一種脈沖控制電機，它是一種能將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可廣泛用于無需

5、反饋控制但要求有精確位置的場合。 方案二：采用帶旋轉(zhuǎn)編碼器控制直流電機，電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，精度可以得到保證。但其驅(qū)動電路復(fù)雜，在短時間內(nèi)難與實現(xiàn)。在本題中因考慮到控制畫筆畫圖準(zhǔn)確性和電路的復(fù)雜性，擬選擇選用方案一，并采用控制性能高的步進(jìn)電機來控制運動物體。 3、控制物體運動算法 方案一：直線插補法。直線插補法是在繪圖系統(tǒng)中常用的一種逐點比較算法。它的原理是：執(zhí)行機構(gòu)每走一步，都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行一次比較，看當(dāng)前位置和軌跡位置的關(guān)系，從而確定下一步的進(jìn)給方向。如果當(dāng)前位置在給定軌跡的下方，下一步向給定軌跡的上方走，反之則相反。如果當(dāng)前位置在給定軌跡的里面，下一步向給定軌跡的外面走，反之則相反

6、。這樣走一步看一步，決定下一步走向，形成“逐點比較”, 使走線逼近給定軌跡。 方案二：直線簡易算法。這種算法是根據(jù)計算機圖形學(xué)中直線的顯示方法改變而來，基本原理也是“逐點比較”，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)當(dāng)前位置和軌跡位置的關(guān)系，從而確定下一步的進(jìn)給方向，但是數(shù)據(jù)的處理過程不同。在直線插補法中，一次循環(huán)只能確定一個走向（X向或Y向），而在直線簡易算法中，一次循環(huán)可以走兩步，這樣可以大大提高效率。同時，直線插補法要考慮象限的問題，不同的象限有不同的計算公式，而直線簡易算法繞開了象限的問題，可以節(jié)省很多代碼。 結(jié)合軟件編程的難易和上面的比較，擬選擇選用方案二。 4、黑線探測模塊 方案一：采用紅外反射式探測，即用

7、已調(diào)的紅外線垂直射到板面，經(jīng)反射后轉(zhuǎn)換為電信號送入單片機處理，這是一種很普遍的應(yīng)用，但是它存在著缺點：（1）由于反射距離較短，紅外反射功率小，如果板面的紙凹凸不平或白紙表面有雜物，也會使單片機誤判。（2）由于板面的黑線可能是墨水或者膠布，兩種雖然都是黑色，但經(jīng)實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)其反光程度均不同，也會對紅外傳感器造成一定的干擾。 方案二：采用多路陣列式光敏電阻組成的光電探測器。因為光敏電阻探測到黑線時，黑線上方的電阻值發(fā)生變化，經(jīng)過電壓比較器比較將信號送給單片機處理，從而控制物體做相應(yīng)的動作。光敏電阻對環(huán)境光的識別，要求考慮外界環(huán)境光的影響，測試時可能在室內(nèi)或室外，為了消除外界光照強度的干擾，在每個光

8、敏電阻旁邊加了一個高亮度發(fā)光二極管，這樣每個光敏電阻的環(huán)境一樣，即使在黑暗的條件下也可以正常工作。測試結(jié)果表明使用這種方法就可以消除外界光的干擾。    基于上面的討論，選用了抗干擾能力強的方案二。 5、顯示方案 方案一：采用LED數(shù)碼管顯示器。LED 數(shù)碼管亮度高，醒目，但是其電路復(fù)雜，占用資源較多，顯示信息量較小。 方案二：采用漢字LCD液晶顯示器。LCD有明顯的優(yōu)點：微功耗、尺寸小，超薄輕巧、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適；可以用中文LCD液晶進(jìn)行菜單顯示，使整個控制系統(tǒng)更加人性化?；谏厦娴谋容^分析和現(xiàn)有的LCD器件，擬選用方案二。 二、

9、系統(tǒng)的具體設(shè)計與實現(xiàn) 1、系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 如圖1所示采用凌陽16位SPCE061A單片機作為運動物體的控制中心，進(jìn)行數(shù)學(xué)計算、對光電傳感器送來的信號進(jìn)行處理來控制運動物體的運行方向、計算運行物體的坐標(biāo)位置、LCD數(shù)據(jù)顯示、鍵盤控制等。 圖 1 系統(tǒng)原理圖 2、系統(tǒng)硬件設(shè)計與計算 （1）電機驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn) 圖 2 電機驅(qū)動電路 具體電路如圖2，該電路采用L298驅(qū)動芯片，L298驅(qū)動芯片是性能優(yōu)越的小型直流電機驅(qū)動芯片之一。它可被用來驅(qū)動兩個直流電機或者是一個步進(jìn)電機。在446V的電壓下，可以提供2A的驅(qū)動電流。L298還有過熱自動關(guān)斷功能，并有反饋電流檢測功能，符合電機驅(qū)動的需要。由

10、于采用的是步進(jìn)電機，所以對電機的驅(qū)動必須是采用脈沖控制。本作品中的控制系統(tǒng)采用5V電源，電機驅(qū)動L298的電源也使用5V?；诜€(wěn)定性考慮，我們運用了TLP521光耦集成塊，將主控制部分電源與電機驅(qū)動部分的電源隔離開來，這樣減少電機對主控制電路的干擾。 （2）黑線探測設(shè)計與實現(xiàn)利用該模塊探測板面黑線的原理是：光線照射到板面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，黑線上方的電阻值發(fā)生變化，經(jīng)過電壓比器比較將信號送給單片機處理。電路示意圖如圖3： 21,3為光敏電阻 黑色引導(dǎo)線 2,4為光敏電阻圖3 黑線探測示意圖 本電路（如圖3）利用光敏電阻在不同的光照的條件下電阻變化的原理。根據(jù)第幾路的光敏檢測到

11、黑線來控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向。將光敏電阻分為前、后、左和右四個方向，設(shè)計為+字形。 采用一組兩個探測頭，當(dāng)出現(xiàn)一個探測頭的誤判時，可以通過軟件禁止物體跑出軌跡。當(dāng)探測頭1檢測到黑線時，物體左走，同時禁止物體右轉(zhuǎn)防止跑出黑線，直到中間的探測頭2或探測頭4再次檢測到黑線證明物體已經(jīng)回到黑線上才向前走，這樣就可以保證物體不會跑出黑線。在試驗時采用的電路如圖4。 圖4 黑線探測原理圖 由于在正常狀態(tài)下每個光敏電阻感光量相同,通過調(diào)節(jié)電位器，使得電壓比較器輸出為零，當(dāng)內(nèi)側(cè)（黑線兩側(cè)）的光敏電阻進(jìn)入黑色引導(dǎo)帶時，感光量大大改變，電壓比較器翻轉(zhuǎn)電壓為高電平。將電平變化送到單片機控制物體的調(diào)整方向。用這種方法即使

12、板面受到不同程度的光照射，比較器正向輸入端和反向輸入端的變化值相等，比較器輸出端不變。只有黑色引導(dǎo)線進(jìn)入內(nèi)側(cè)一組光敏電阻區(qū)域才能引起感光量大大改變，比較器才翻轉(zhuǎn)，這種方法抗干擾能力強。 （3）紅外線無線控制臺電路的設(shè)計 采用紅外線無線通信語言和匯編語言混合編程，編譯效率高，在線調(diào)試方便。具體程序略。 3、實際測試（1）測試設(shè)備模擬行使路線：示意圖見試題（E題）卷尺：精度0.01m秒表：精度0.01s坐標(biāo)紙采用噴塑坐標(biāo)紙（調(diào)試中易于擦洗無用的畫筆軌跡）（2）走自行運動實際測量結(jié)果 第一次走實際測量結(jié)果：到達(dá)目的坐標(biāo)，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.7cm，運行時間為124秒。第二次走實際測量

13、結(jié)果：離達(dá)目的坐標(biāo)1.3 cm，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.4cm，運行時間為131秒。第三次走實際測量結(jié)果：離達(dá)目的坐標(biāo)1.1 cm，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.3cm，運行時間為147秒。    第四次走實際測量結(jié)果：離達(dá)目的坐標(biāo)1.5 cm，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.1cm，運行時間為118秒。第五次走實際測量結(jié)果：離達(dá)目的坐標(biāo)0.8 cm，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.3cm，運行時間為138秒。第六次走實際測量結(jié)果：離達(dá)目的坐標(biāo)1.4 cm，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.9cm，運行時間為128秒。 六次運

14、行物體離達(dá)目的坐標(biāo)最大誤差為1.5 cm，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差1.9cm。平均運行時間約為130秒。達(dá)到了預(yù)期的效果。 （3）畫圓實際測量結(jié)果畫圓測試結(jié)果如下表第一次畫圓以(40,50)為圓心，對圓周進(jìn)行8個點采樣 圓上的坐標(biāo)物體實際坐標(biāo)(15,50)（17,50）(22,68)(23.8,69.7)(40,75)(40,74)(58,68)(56.5,66)(65,50)(64,50.4)(58,32)(59.3,31)(40,25)(40,24.2)(22,32)(23.4,32.7)最大誤差為1.8cm，運行時間為225秒，畫筆曲線接近圓。 第二次畫圓以(40,50)為圓心，

15、對圓周進(jìn)行8個點采樣 圓上的坐標(biāo)物體實際坐標(biāo)(15,50)（15.5,50.6）(22,68)(21.9,69.4)(40,75)(40.5,74)(58,68)(58.3,66.7)(65,50)(64.8,50.2)(58,32)(59.1,34.2)(40,25)(40.6,24.5) (22,32)(23.5,32.4)最大誤差為2.2cm，運行時間為224秒畫，畫筆曲線接近圓。 第三次畫圓以(40,50)為圓心，對圓周進(jìn)行8個點采樣 圓上的坐標(biāo)物體實際坐標(biāo)(15,50)（15,50.6）(22,68)(22.2,69.4)(40,75)(38.5,74.1)(58,68)(56.6,

16、66.7)(65,50)(65.8,51.7)(58,32)(59.3,31.1)(40,25)(39.6,24.5)(22,32)(22.5,32.7)最大誤差為1.7cm，運行時間為221秒，畫筆曲線接近圓。 三次畫圓，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差2.2cm，平均運行時間約為224秒，達(dá)到了預(yù)期的效果。 （4）走黑線實際測量結(jié)果 第一次走黑線走完連續(xù)線段，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差1.8cm，連續(xù)線段運行時間為95秒。第二次走黑線走完連續(xù)線段，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差2.3cm，連續(xù)線段運行時間為98秒。第三次走黑線走完連續(xù)線段，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差1.6cm，連續(xù)線段運

17、行時間為101秒。第四次走黑線走完連續(xù)線段，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差0.9cm，連續(xù)線段運行時間為94秒。第五次走黑線走完連續(xù)線段，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差2.2cm。走過第一個斷點，走斷續(xù)線段運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差2.5cm，連續(xù)線段運行時間為95秒，第一個間斷線段運行時間為45秒。第六次走黑線走完連續(xù)線段，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差1.5cm。走過第一個斷點，走斷續(xù)線段運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差2.1cm，連續(xù)線段運行時間為97秒，第一個間斷線段運行時間為54秒。第七次走黑線走完連續(xù)線段，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差1.4cm。走過第二個斷點，走斷續(xù)線段運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差1.5cm，連續(xù)線段運行時間為92秒，兩個間斷線段運行時間共為96秒。第八次走黑線走完連續(xù)線段，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差1.2cm。走過第二個斷點，走斷續(xù)線段運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差1.9cm，連續(xù)線段運行時間為96秒，兩個間斷線段運行時間共為102秒。 八次運行物體運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的最大偏差2.5cm，連續(xù)線段平均運行時間約為95秒，間斷線段平均運行時間約為98秒，達(dá)到了預(yù)期的效果。（5）其他附加功能1、