往年全國電子大賽優(yōu)秀電子設(shè)計競賽

1、文章來源: ht/xpzl.htm懸掛運動控制系統(tǒng)（E 題）一、任務(wù)設(shè)計一電機控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜（仰角100 度）的板上運動。在一白色底板上固定兩個滑輪，兩只電機（固定在板上）通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運動，運動范圍為 80cm100cm。物體的形狀不限，質(zhì)量大于 100 克。物體上固定有淺色畫筆，以便運動時能在板上畫出運動軌跡。板上標(biāo)有間距為 1cm 的淺色坐標(biāo)線（不同于畫筆顏色），左下角為直角坐標(biāo)原點,示意圖如下。 2、發(fā)揮部分能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)；控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運動(見示意圖)，曲線在測試時現(xiàn)場標(biāo)出，線寬 1.5cm1.8cm，總長度約 50cm，

2、顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，長約 30cm；后一部分是兩段總長約 20cm 的間斷線段，控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點參數(shù)；控制物體在 80cm100cm 的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運動，運動軌跡長度不小于 100cm，物體在運動時能夠在板上畫出運動軌跡，限 300 秒內(nèi)完成；控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為 50cm 的圓周運動，限 300 秒內(nèi)完成；物體從左下角坐標(biāo)原點出發(fā)，在 150 秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個坐標(biāo)點(兩點間直線距離不小于 40cm)。二、要求1、基本要求：四、說明跡吻合，同時盡量縮短運動時間；2、若在某項測試中運動超過限定的時間，該項目不得分；3、運動軌跡與預(yù)期

3、軌跡之間的偏差超過 4cm 時，該項目不得分；4、在基本要求(3)、(4)和發(fā)揮部分(2)中，物體開始運動前，允許手動將物體定位；開始運動后，不能再人為干預(yù)物體運動；5、競賽結(jié)束時，控制系統(tǒng)封存上交賽區(qū)，測試用板(板上含空白坐標(biāo)紙) 測試時自帶。1、物體的運動軌跡以畫筆畫出的痕跡為準(zhǔn)，應(yīng)盡量使物體運動軌跡與預(yù)期軌三、評分標(biāo)準(zhǔn)項目滿分基本要求設(shè)計與總結(jié) ：方案比較、設(shè)計與論證，理論分析與計算，電路圖及有關(guān)設(shè)計文件，測試方法與儀器，測試數(shù)據(jù)及 分析。50實際制作完成情況50發(fā)揮部分完成第(1)項10完成第(2)項中連續(xù)線段運動14完成第(2)項中斷續(xù)線段運動16其他10間斷距離不大于 1cm；沿連

4、續(xù)曲線運動限定在 200 秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運動限定在 300 秒內(nèi)完成；（3）其他。懸掛運動控制系統(tǒng)（E 題）-學(xué)生作品畢業(yè)設(shè)計（）原創(chuàng)摘要：懸掛軌跡控制系統(tǒng)是一電機控制系統(tǒng)，控制物體在 80cm100cm 的范圍內(nèi)作直線、圓、尋跡等運動，并且在運動時能顯示運動物體的坐標(biāo)。設(shè)計采用AT89S51 單片機作為器件實現(xiàn)對物體運動軌跡的自動控制，通過多圈電位器實現(xiàn)對懸掛物位置的精確測量，并引入局部閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)對誤差進(jìn)行修正。以達(dá)到對物體的控制和對坐標(biāo)點的準(zhǔn)確定位。采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制直流電機驅(qū)動L298，以實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟停等多種工作狀態(tài)進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的控制。采用紅外光電傳感器

5、實現(xiàn)檢測電機速度和畫板上黑色曲線軌跡。：運動軌跡；多圈電位器；脈沖寬度調(diào)制；紅外反射光電傳感；直流電機驅(qū)動ng trajectory control system is a motor control system, object makeABSTRAClinear, circle, searching locus and etcotion withhe range of the80cm100cm, while movement system can display the coordinate of the object.Adop89S51 MCU as the main part to r

6、ealize the automatic control of the objectmotion locushis design, system using multiturn potentiometer to measure theition of object, androdulocal closed-loop feedback control system link tocorrect error,hat case system can improve the accuracy of control and orienion.his design system also adopttec

7、hnique control DC motor drive chip L298 torealize the accurate control of motor roion speed, roion direction, Start, Stop andetc operatingition. System adopt infrared photosensor measure motor roionspeed and drawing locus by black curve on the palette.KEY WORDS:sport trajectory；loopypotentiometer；in

8、frared photosensor；DC motor driving第 1 章 引 言運動控制是自動化技術(shù)的重要組成部分，是機器人等高技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，已取得了廣泛的工程應(yīng)用。運動控制集成了電子技術(shù)、電機拖動、計算機控制技術(shù)等內(nèi)容，例如在工廠、碼頭往往需要將貨物從一點搬往另一點，如使用懸掛控制系統(tǒng)更方便、安全。在此基礎(chǔ)上還可設(shè)計成基于三線懸掛結(jié)構(gòu)的運動控制裝置。所謂三線懸掛是指，將三根纜線系于一點并懸掛重物，且三根纜線分別掛在三個固定滑輪上，其長度由電機驅(qū)動的三個繞線輪分別控制，從而控制懸掛重物在三中的位置。其中原理和懸掛軌跡控制系樣的。懸掛軌跡控制系統(tǒng)是一電機控制系統(tǒng)。為滿足控制需要，本

9、系統(tǒng)采用AT89S51 單片機作為器件，多圈電位器為物置器件，以 L298驅(qū)動的直流電機為執(zhí)行設(shè)備，鍵盤和 LED 顯示為人機接口的結(jié)構(gòu)方式。算法方面通過以微小直線為的策略，完成較為復(fù)雜的長直線、圓周和不確定曲線。系統(tǒng)將物體運動的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成懸繩伸縮的距離，進(jìn)而計算出多圈電位器需要轉(zhuǎn)動到的位置，再算出兩直流電機的脈沖寬度調(diào)制（）值。再通過 A/D 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對懸掛物位置的精確測量，并引入局部閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)對誤差進(jìn)行修正。對于系統(tǒng)自定的確定線型（直線和圓周），通過調(diào)整兩個直流電機不同的值的搭配，可以控制物體的運動方向。而對于不確定的曲線，由光電傳感器得到路線信息，經(jīng)過單片機的處理，給出物體運動方向

10、的指令。本設(shè)計的主要特點：1、優(yōu)化的算法，智能化的自動控制，誤差補償。2、使動滑輪，有效防止滑輪與拉繩之間打滑。3、使用多圈電位器與動滑輪同步轉(zhuǎn)動，引入反饋，實現(xiàn)物體精確定位。4、LED 顯示模塊提供一個人機界面，并實時顯示坐標(biāo)及物體的運動軌跡。第 2 章 系統(tǒng)功能及基本原理2.1設(shè)計任務(wù)1、控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點參數(shù)；2、控制物體在 80cm100cm 的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運動，運動軌跡長度不小于 100cm，物體在運動時能夠在板上畫出運動軌跡，限 300 秒內(nèi)完成；3、控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為 50cm 的圓周運動，限 300 秒內(nèi)完成；4、物體從左下角坐標(biāo)原

11、點出發(fā)，在 150 秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個坐標(biāo)點(兩點間直線距離不小于 40cm)；圖 2.1 懸掛控制示意圖5、控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運動，如圖 2.1 所示，曲線在測試時現(xiàn)場標(biāo)出，線寬 1.5cm1.8cm，總長度約 50cm，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，長約 30cm；后一部分是兩段總長約 20cm 的間斷線段，間斷距離不大于1cm；沿連續(xù)曲線運動限定在 200 秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運動限定在 300 秒內(nèi)完成；6、能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)，運動軌跡與預(yù)期軌跡之間的偏差不得超過 4cm。2.2系統(tǒng)基本方案根據(jù)設(shè)計要求，需要實現(xiàn)勾畫設(shè)定軌跡和對設(shè)定軌跡的搜尋功能，并能實時

12、的顯示物體中畫筆所在位置坐標(biāo)。其系統(tǒng)方案框圖如圖 2.2 所示。圖中多圈電位器安裝在兩個動滑輪上，電機收放線長度就會通過多圈電位器轉(zhuǎn)換成電壓值，通過A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機；反射式光電傳感器對黑線進(jìn)行檢測，以脈沖信號的形式送入單片機，同時按鍵信號送入單片機對物體進(jìn)行設(shè)置校正以及軌跡參數(shù)設(shè)定，控制器對送來的信號進(jìn)行分析、運算、處理，將控制信號輸送到電機驅(qū)動模塊，控制電的轉(zhuǎn)速,使物體的運動軌跡得以控制。第 3 章方案論證和比較根據(jù)題目要求可知，本系統(tǒng)所涉及的問題主要有：1、對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟停等多種工作狀態(tài)進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的控制，以保證懸掛物體按照預(yù)先設(shè)定或即時設(shè)定的運動軌跡運行。2、為保證該控

13、制系統(tǒng)的精度要求，必須對運動物體在畫板上的具置（坐標(biāo)點）進(jìn)行實時的檢測。3、為保證該運動物體能在盡可能短的時間內(nèi)按設(shè)定運動軌跡從起始點到達(dá)目標(biāo)點，還需要相應(yīng)的設(shè)定及顯示電路。分以下幾個部分進(jìn)行方案設(shè)計和比較論證。3.1控制器模塊根據(jù)題目要求，控制器主要用于控制電機，并對坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行處理，控制電機移動方于控制器的選擇有以下兩種方案。方案一：采用 FPGA 為系統(tǒng)的控制器，F(xiàn)PGA 可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。FPGA 采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時

14、系統(tǒng)的控制。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給 FPGA，F(xiàn)PGA 通過程序設(shè)計控制步進(jìn)電機運動，但是由于本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高，F(xiàn)PGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。方案二：采用 AT89S51 作為系統(tǒng)控制的方案。單片機算術(shù)運算功能強，編程靈活、度大，可用編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本優(yōu)點，各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。并且，由于引腳少，在硬件很容易實現(xiàn)。因此，在本設(shè)計中采用 AT89S51 處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機運動。綜合上述兩種方案，方案二較為簡單，可

15、以滿足設(shè)計要求。3.2 電機的選擇方案一：采用直流電機。直流電機具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級調(diào)速）、調(diào)速范圍寬、低速性能好（起動轉(zhuǎn)矩大、起動電流小）、運行平穩(wěn)、噪音低、效率高等方面。方案二：采用步進(jìn)電機。步進(jìn)電機具有控制簡單、定位精確、無積累誤差等優(yōu)點。但它在運行時噪音大、高速扭矩小、啟動頻率低、價格較高?；谏鲜霰容^，為了方便地對電機進(jìn)行無級調(diào)速，和需要電機帶負(fù)載能力強的特點，這里采用直流變速電機。3.3驅(qū)動及調(diào)速方案方案一：采用繼電器對電的開和關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對電機的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，實現(xiàn)容易；缺點是繼電器的響應(yīng)速度慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞

16、、較短。方案二：采用內(nèi)集成有管組成的H 型的功率變換橋電路的恒壓恒流橋式 2A 驅(qū)動。用單片機輸出信號控制使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，通過程序調(diào)節(jié)占空比精確調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H 型電路保證了可以簡單實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的調(diào)速技術(shù)。方案三：采用 DSP，配以電機控制所需要的功能電路，通過數(shù)控電壓源調(diào)節(jié)電機運行速度，實現(xiàn)控制物體的運動軌跡。該方案優(yōu)點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷、可靠性提高。但系統(tǒng)軟硬件復(fù)雜、成本高?；谏鲜隼碚摲治龊蛯嶋H情況，擬定選擇方案二。3.4速度方案方案一：采用霍爾集成片。

17、該器件由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在電機上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進(jìn)行電機速度的檢測。方案二：采用對射式光電傳感器。其檢測方式為：和接受器相互對射安裝，的光直接對準(zhǔn)接受器，當(dāng)測物擋住光束時，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。通過脈沖計數(shù)，對速度進(jìn)量。由于電機的收線輪直徑較小，將傳感器安在電機上容易產(chǎn)生測量誤差，將傳感器安在滑輪上可以減少收線引起的誤差。方案三：采用多圈電位器式傳感器間接測量方式。通過杠桿機構(gòu)將線位移轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，再根據(jù)電阻與速度之間的關(guān)系實現(xiàn)速度的檢測。以上三種方案都是比較可行的

18、方案。尤其是霍爾元件，應(yīng)用得很廣泛。方案一和方案二的精度都會有一定的限制。要達(dá)到本設(shè)計的要求會給制作帶來難度；鑒于此情況選選擇多圈電位器更好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本設(shè)計的精度要求。3.5尋跡模塊探測板上黑線的大致原理是：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，可根據(jù)接受到的反射光強弱判斷是否偏離黑線。方案一：采用熱探測器。由于溫度變化是因為吸收熱能輻射能量引起的，與吸收紅外輻射的波長沒有關(guān)系，即對紅外輻射吸收沒有波長的選擇，因此受外界比較大。方案二：使用發(fā)光二極管和光敏三極管組合。這種方案的缺點在于其他環(huán)境的光源會對光敏二極管產(chǎn)生很大的干擾。方案三：使用紅外反射式傳感器進(jìn)行檢測。通過對比，這次

19、設(shè)計中由于是近距離探測，故采用方案三來完成。由于紅外光波長比可見光長，因此受可見光的影響較小。同時紅外線系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：尺寸小、質(zhì)量輕，便于安裝。反射式光電檢測器就是其中的一種器件，它具有體積小、靈敏度高、線性好等特點，電路簡單，安裝起來方便，電源要求不高。用它作為近距離傳感器是最理想的，電路設(shè)計簡單、性能穩(wěn)定可靠。第 4 章系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖 4.1 所示。采用 AT89S51 單片機作為核心器件，多圈電位器為懸掛物置件，通過 ADC0832 轉(zhuǎn)換位數(shù)字信號送入單片機處理，L298 作為直流電機的驅(qū)動模塊，以 MAX7219 驅(qū)動

20、的 LED 顯示和 44 鍵盤作為人機接口。4.2 尋軌跡控制策略根據(jù)題目的要求，懸掛物沿曲線運動的軌跡分為兩段，連續(xù)段和間斷段?？刹捎?4 個光電傳感器 TCRT5000 作為檢測元件，其放置方式如圖 4.2 所示。尋找黑線策略，采用模糊尋找的方式，首先物體從坐標(biāo)（0，8）運行到坐標(biāo)（80，8），檢測這之間有無黑線，如無，則從坐標(biāo)（80，16）運行到坐標(biāo)（0，16），再檢測這之間有無黑線，則從坐標(biāo)（0，12）運行到（80，12），檢測，如果沒有檢測到黑線，再進(jìn)一步縮小范圍從（80，14）運行到（80，14）；如果檢測到黑線，再進(jìn)一步縮小范圍從（80，10）運行到（80，10），當(dāng)檢測到黑線時

21、就停下，此處將是黑線起點；如果沒有檢測到黑線則返回從（80，12）運行到（0，12）檢測到的黑線即為黑線起點。以同樣的運行檢測方式即可尋找出黑線的起點。在連續(xù)段尋跡時，通過判斷四個傳感器的 16 種組合狀態(tài)，使電機作出相應(yīng)的伸縮動作。當(dāng)軌跡為間斷線時，電機拉動傳感器在大角度方向內(nèi)位移，直到在某一方向檢測到新的黑線為止。然后再調(diào)用連續(xù)段的尋跡程序。4.3 系統(tǒng)各模塊單元電路設(shè)計4.3.1 電源部分電路設(shè)計本系統(tǒng)中使用了直流 12V 電機，其額定工作電壓為 12V，而單片機額定工作電壓為5V，所以電路中采用了7805 和7812 作為穩(wěn)壓模塊，其最大輸出電流為1.5A，滿足系統(tǒng)電機驅(qū)動電流的要求，

22、其電路如圖 4.3.1 所示。4.3.2 電機控制模塊設(shè)計物體運動的軌跡由電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向決定，電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制是通過多圈電位器對滑輪所轉(zhuǎn)的圈速進(jìn)行檢測，同時通過另一個計數(shù)器對時間進(jìn) 量，結(jié)合兩個計數(shù)器的值，由單片機計算出電機的速度，而物體運動的軌跡的里程由滑輪的周長和所轉(zhuǎn)的圈數(shù)來計算。本系統(tǒng)由單片機直接產(chǎn)生 信號，當(dāng)單片機接受到相應(yīng)的檢測信號時，單片機轉(zhuǎn)到中斷口處理信息， 信號處于停發(fā)狀態(tài)。將單片機產(chǎn)生的 信號經(jīng)光電 器耦合后，控制 L298 驅(qū)動 來控制電 的正反轉(zhuǎn)、啟動、制動。原理圖如 4.3.2 所示。單片機將P1.2、P1.5 作為輸出控制使能端,P1.2、P1.6 作為電機一

23、的控制端,P1.3、 P1.5 作為電機二的控制端。L298 的兩個控制端（C、D）的工作情況由表 4.3.1 列出（Ven 為使能端）。表 4.3.1 L298 控制表輸入功能Ven=HC=H;D=L正轉(zhuǎn)C=L;D=H反轉(zhuǎn)C=D制動4.3.3 電機速度設(shè)計上面在方案論證中已經(jīng)提出電機速度的是通過檢測滑輪上的轉(zhuǎn)速來得到電機的速度。如圖 4.3.3 所示，速度系統(tǒng)中使用多圈電位器即圖中 W1、W2 進(jìn)行檢測，然后通過 ADC0832 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADC0832 是一個 8 位雙通道 A/D轉(zhuǎn)換器件。選用的多圈電位器為 10 圈、47K，動滑輪直徑為 5cm，則旋轉(zhuǎn)一圈的線長為：L=5由 ADC08

24、32 的分辨率得出，到最小線位移為：8l=L/2當(dāng)電機開始運行時，拖動滑輪轉(zhuǎn)動，多圈電位器和滑輪同步轉(zhuǎn)動，從而改變多圈電位器的輸出電壓，A/D 轉(zhuǎn)換器將多圈電位器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給單片機處理，從而實現(xiàn)對滑輪運轉(zhuǎn)情況精確 。/20138885_d.htmlVen=LC=D=停止4.3.4尋跡部分電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計任務(wù)，懸掛物體要沿著黑線運行，采用反射式光電傳感器進(jìn)行探測。光電傳感器的硬件設(shè)計如圖 4.3.4 所示。電壓比較器 LM393 的同相輸入in 拉低，輸出為低電平。當(dāng)檢測到黑線時，接收管截止，同相輸入in 為高，比較器輸出為。本系統(tǒng)中四個傳感器的 OUT 分別連接 P1.0P1.

25、3。4.3.5 顯示模塊設(shè)計顯示部分電路由 MAX7219、數(shù)碼管組成。采用 6 個 LED 管進(jìn)行X 軸坐標(biāo)顯示、Y軸坐標(biāo)顯示。其電路圖如 4.3.5 所示。4.3.6 鍵盤模塊電路設(shè)計圖 4.3.6 44 鍵盤電路原理圖根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)中使用了標(biāo)準(zhǔn)的 44 鍵盤，其電路原理圖如圖 4.3.6所示。圖中 C1C4 為 44 鍵盤的列信號，L1L4 為 44 鍵盤的行信號。在本系統(tǒng)中，用 P0.0P0.3 連接鍵盤的列信號 C4C1；用 P0.4P0.7 連接鍵盤的行信號 L4L1。在本系統(tǒng)中，S1S3、S5S7、S9S11、S13 為數(shù)字鍵，如圖 2.8，S4、S8、 S12、S14S1

26、6 為功能鍵，S2、S5、S7、S10 為雙功能鍵。主要功能如圖 4.3.7所示。123方式方式 5：尋跡，首先讓物體運行在軌跡起點，按下啟動鍵開始尋跡。圖 4.3.9 所示，表示了幾種方式的操作。認(rèn)后，再按啟動鍵運行。方式 4：定點運動，首先利用數(shù)字鍵設(shè)置一個坐標(biāo)點的X、Y 值進(jìn)行確方式 2：作自行設(shè)定的運動。方式 3：畫圓，首先利用數(shù)字鍵設(shè)置圓半徑進(jìn)行確認(rèn)后，再按啟動鍵運行。方式 1：歸位，讓物體自行回到原點。圖 4.3.744 鍵盤功能圖設(shè)置鍵：手動對位或任意設(shè)定坐標(biāo)點參數(shù)鍵，按下后用上、下、左、右鍵可進(jìn)行手動對位控制，然后按確認(rèn)鍵確認(rèn)，圖 4.示。方式鍵：首先按下方式鍵，然后按數(shù)字鍵再

27、確認(rèn)，方式有以下幾種：456X789Y0設(shè)置啟動確認(rèn)啟動鍵：用于所選運行方式的開始運行控制鍵。確認(rèn)鍵：用于設(shè)置、X 、Y、方式輸入值的確定。第 5 章部分設(shè)計5.1 理論分析與計算5.1.1 位移/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法首先初始 A/D 轉(zhuǎn)換出來的數(shù)據(jù)，再使電機 1 工作，電機 2 停止，使電機拖動一載體移位 100cm，再下此期間所變化的 A/D 轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)，由此則直流電機拉動載移 1mm 所需的數(shù)據(jù),因此，直接可將拉線的位移轉(zhuǎn)化為單片機檢測 A/D 轉(zhuǎn)換出來的數(shù)值。A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)值決定位移。5.1.2 點到點運動算法結(jié)合圖 5.1 說明，假設(shè) E（x0,y0）,F(x1,y1)為給定平面范圍上的

28、任意兩點，作輔助線（圖中虛線部分），在直角三角形ABE 中a02=(x0+15)2+(115-y0)2（5.1）在直角三角形CDE 中:b02=(95-x0)2+(115-y0)2（5.2）同理對于F 點，兩拉線長分別為：a12=(x1+15)2+(115-y1)2（5.3）b12=(95-x1)2+(115-y1)2（5.4）因此當(dāng)懸掛物從E 點運動到 F 點時：電機 1 的收放線長度為c（當(dāng) c0 時，電機反轉(zhuǎn)（或拉線收縮）c=a0-a1（5.5）電機 2 的收放線長度為d（當(dāng) d0 時，電機正轉(zhuǎn)（或拉線伸長）d=d0-d1（5.6）根據(jù)c，d 的正負(fù)分別確定電機 1，電機 2 的正反轉(zhuǎn)向

29、。設(shè)繩索位移 1mmAD變化值為P，而根據(jù)c，d 的絕對值來確定電位器 1，電位器 2 所要變化的值：電位器 1 所分配的數(shù)值：m=|c|*p（5.7）電位器 2 所分配的數(shù)值：n=|d|*p（5.8）5.1.3 誤差補償為了使運動軌跡更加平滑，采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制直流電機驅(qū)動L298，以實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的控制，設(shè)電機 1 所運行的線值為n,電機 2 所運行的線值為m，則輸出到電機 1 和電機 2 的定時器初值比例為 n/m，這樣可使電機 1 和電機 2 同步到達(dá)目標(biāo)點。在點到點運行中，假設(shè)電機2 的定時器初值為t，則電機 1 的定時器初始為 n/m*t，該算法可能會

30、造成電機所運行的路徑為一條曲線，可以讓單片機不斷計算當(dāng)前點到目標(biāo)點的距離，不斷改變定時器初值，也可以將直線分成幾個線段來運行，使得所運行軌跡精度更高，直線更平滑。5.1.4 數(shù)學(xué)模型本設(shè)計要求懸掛物能夠畫一個圓，采用微分曲線直線近法。首先將圓周等分為N 份，將每小份弧線段等效為直線段畫出，N 越大，曲線就光滑。設(shè)所畫圓的圓心坐標(biāo)為（x0,y0）半徑為固定的 25cm，（x,y）為圓周上的任意一點，由此確定圓的方程為：222(x*x ) +(y-y ) =25（5.9）00若直接使用該方程來求圓上點的坐標(biāo)，算法比較復(fù)雜，采用了圓的參數(shù)方程：X=x0+25s（5.10）Y=y0+25cost（5.

31、11）(x0,y0)為圓心坐標(biāo)這樣，則圓的坐標(biāo)僅與參數(shù) t 有關(guān)，因此，使角度 t 以某一設(shè)定的角度步長v 累加，使 t+q*v 在周期t,t+2內(nèi)變化，其中 q 為累加值。這樣就可以采樣到圓上均勻的點，顯然，角度步長 v 越小，在圓周上取得點越多，控制也會更精確。5.2 程序流程5.2.1 主流程圖本系統(tǒng)設(shè)計采用匯編語言與C 語言交叉使用，為達(dá)到題目要求的控制精度和響應(yīng)時間，針對各項功能設(shè)計相應(yīng)的巧妙算法，采用了匯編語言與 C 語言交叉使用。系統(tǒng)主程序流程圖如圖.2 所示：程序開始后，首先要對尋跡的光電檢測口、MAX7219、電機驅(qū)動模塊進(jìn)行初始化，然后判斷設(shè)置鍵或方式鍵是否有按下，以執(zhí)行設(shè)

32、置或幾種方式的程序。5.2.2 定點運動子程序單片機從鍵盤讀入功能鍵和起始坐標(biāo)值（X0，Y0），將（X0，Y0）帶入式 5-1 和式5-2 中計算出 a0 和 b0。再從鍵盤讀入終點坐標(biāo)值（X1，Y1），也將其帶入式 5-3和式 5-4 中計算出a1 和 b1，程序流程圖如 5.3 所示。圖.2 主程序流程圖圖 5.3定點運動子程序流程圖5.2.3 畫圓子程序根據(jù)圓的參數(shù)方程的計算圓上點的坐標(biāo)，通過調(diào)用定點程序來實現(xiàn)，畫圓程序流程圖如圖 5.4 所示。5.2.4 尋跡子程序?qū)ほE示意圖如圖 5.5 示，通過判斷傳感器的不同狀態(tài)值，作出相應(yīng)的處理動作，當(dāng)遇到斷點時，多角度檢測下段的黑線，直到再次檢

33、測到黑線。尋跡流程圖如圖 5.6 所示。2大學(xué)生電子設(shè)計競賽. 第五屆大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編(2001).理工大學(xué), 2003.013. 傳感器與檢測技術(shù). 高等教育,2002.024. 單片機電路設(shè)計M.：電子工業(yè), 2003.01第六章 結(jié)束語本系統(tǒng)主要以單片機（AT89S51）為主要控制、計算。采用了 L298 驅(qū)動和技術(shù)實現(xiàn)電機控制。在設(shè)計過程中，力求硬件電路簡單，充分發(fā)揮設(shè)計的優(yōu)勢，編程靈活方便來滿足系統(tǒng)的要求。在檢測部分，選擇了雙滑輪來解決打滑問題。還可利用上位機 （例如組態(tài)王 ）進(jìn)行實時模擬顯示和控制。由于沒有器材，所以未能完成實物制作，考慮到無實物此部分的發(fā)揮效果得不到

34、展示，所以放棄了上位機 的擴展。但從理論上基本上完成了題目中所有的基本要求和發(fā)揮部分。致 謝次此能順利完成畢業(yè)設(shè)計，除了我自身的努力以外，更少不了老師和同學(xué)的幫助與指導(dǎo)。為此，在這里我要對那些予以我?guī)椭拿恳晃焕蠋熀屯瑢W(xué)表示衷心的感謝。此外，還要特別感謝對我予以指導(dǎo)的指導(dǎo)老師 老師，在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，由于有他的耐心仔細(xì)的指導(dǎo)，在他繁忙的工作之余，還能抽出時間來指導(dǎo) 設(shè)計，并對我設(shè)計中的每一個環(huán)節(jié)，每一個步驟和方案設(shè)計都做了一一的講解、糾正和補充，在此對他表示衷心的感謝！由于知識水平有限，在設(shè)計過程中難免有所出錯，所以，希望各位老師、同學(xué)或讀者能對 設(shè)計 中的缺陷和 予以指正。參考文獻(xiàn)1 潘

35、新民. 單片微型計算機實用系統(tǒng)設(shè)計. 人民郵電, 1992.072005.017. 運動控制系統(tǒng)M.：高等教育，2004.07. 單片機原理及應(yīng)用. 電子科技大學(xué)，2004.08. 51 系列單片機輸出的兩種方法.Atmel. AT89S51. hNational Semiconductor. ADC0832. h12 ST. L298N. h/附錄一元件明細(xì)表略.附錄二 電路原理圖略.附錄三 PCB 板圖略.附錄四 系統(tǒng)源程序略.6 孫育才. ATMEL 新型 AT89S51 系列單片機及其應(yīng)用.，航天大學(xué)，1990.015. MCS-51 系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接術(shù).航空基于雙單

36、片機的懸掛物體尋跡控制系統(tǒng)提交者 耕牛 在 2008-4-15 16:01:55上一篇 下一篇和命令的相互通信，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制以廈懸掛物體尋跡控制功能。表明，該系統(tǒng)運動速度快、尋跡偏差小。懸掛物體雙單片機軌跡歷屆電子設(shè)計競賽的題目可以分為電源類、信號源類無線電類、放大器類、儀器儀表類、與處理類和自動控制類，在 2005 年大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，懸掛物體控制系統(tǒng)就是一道典型的自動控制類賽題。本文著鶯介紹一種基于雙單片機的懸掛物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運動的控制系統(tǒng)方案。1 系統(tǒng)設(shè)計要求和設(shè)計思路題目要求控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運動，如圖 1 所示。曲線在測試時現(xiàn)場標(biāo)出，線寬 15cm18cm?？?/p>

37、長度約 50cm，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，長約片機的尋跡檢測模塊和懸掛物體運動控制模塊組成，通過無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)摘要 設(shè)計一種基于雙單片機的懸掛物體尋跡控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由具有獨立單溫馨提示:30cm；后一部分是兩段總長約 20cm 的間斷線段，間斷距離不大于 1cm；沿連續(xù)曲線運動限定在 200s 內(nèi)完成，沿間斷曲線運動限定在 300s 內(nèi)完成。根據(jù)題目的要求，系統(tǒng)主要實現(xiàn)黑線和斷點檢測、懸掛物體運動控制等功能。為了說明系統(tǒng)可以實現(xiàn)任意曲線、任意方向的尋跡，以圓形軌跡作為尋跡對象。尋跡原理如圖 2 所示。懸掛物體初始點A 的坐標(biāo)由鍵盤輸入，初始時刻安裝紅外探頭，由微型步進(jìn)電機控制

38、的搖臂處于水平位置。系統(tǒng)啟動后，微型步進(jìn)電機驅(qū)動搖臂順時針旋轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)角為180。紅外探頭的運動軌跡與黑色圓弧會有一個交點 B，并步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的角度。通過系統(tǒng)起始點A 的坐標(biāo)和步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的角度，可求得運動控制下一點 B 的坐標(biāo)。求得B 點坐標(biāo)后，控制懸掛物體向該點作直線運動，同時搖臂作逆時針旋轉(zhuǎn) 90，以保證下一個檢測交點在其 180搜索范圍內(nèi)。若搖臂旋轉(zhuǎn) 180，仍沒有交點，則認(rèn)為曲線在此處有斷點，系統(tǒng)控制懸掛物體按原方向繼續(xù)前進(jìn)一個步長，再次進(jìn)行掃描，以求得下一個檢測點的位置。若懸掛物體偏離軌跡，如圖 2 中C 點的位置，系統(tǒng)也可通過下一個點的檢測讓懸掛物體自動回復(fù)到軌跡點，因此，本方法

39、可有效糾正軌跡偏差，實現(xiàn)尋跡控制的能力。2 系統(tǒng)方案設(shè)計懸掛物體運動控制系統(tǒng)的基本方案方框圖如圖 3 所示，系統(tǒng)主要由控制模塊、黑線檢測模塊和通信模塊組成。其中，控制模塊由 ATmegal28L 單片機最小系統(tǒng)l、鍵盤輸入電路、液晶顯示電路和步進(jìn)電機驅(qū)動電路組成；檢測模塊由 ATmegal28L 單片機最小系統(tǒng) 2、紅外線反射電路和微步進(jìn)電機驅(qū)動電路組成。黑線檢測模塊中的單片機系統(tǒng)控制微型步進(jìn)電機，帶動裝有紅外探頭的搖臂巡回擺動，檢測板上的黑線，得出微型步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動角度。角度數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后，通過無線傳輸模塊發(fā)送給控制模塊單片機系統(tǒng)?？刂颇K中的單片機系統(tǒng)接收到角度數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗。若數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，則通過控制步進(jìn)電機驅(qū)動電路控制懸掛物體從當(dāng)前坐標(biāo)沿轉(zhuǎn)動角度移動固定距離，然后，向檢測模塊發(fā)出下一輪檢測命令；若數(shù)據(jù)傳輸有誤，則向檢測模塊發(fā)出數(shù)據(jù)重發(fā)命令，等待下一輪角度數(shù)據(jù)接收。3 硬件設(shè)計3.1 ATmegal28L 單片機最小系統(tǒng)單片機是整個懸掛物體運動控制系統(tǒng)的，控制系統(tǒng)所有電路。本系統(tǒng)采用Atmel 公司的 ATmegal28L 單片機，有如下特點：工作電壓為 2755V，可承受的電壓波動范圍較大，可有效克服由于模塊內(nèi)的微型步進(jìn)電機導(dǎo)致的電源電壓不穩(wěn)定所帶來的干擾，使系統(tǒng)能在一