懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(獲獎(jiǎng)設(shè)計(jì))

1、<p><b>　　懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　摘  要：本系統(tǒng)以凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A為控制核心,通過所需運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的參數(shù)方程,建立運(yùn)動(dòng)控制模型,按照算法對(duì)兩組驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了懸掛畫筆在給定的范圍內(nèi)的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、任意曲線運(yùn)動(dòng)以及圓心可任意設(shè)定的圓周運(yùn)動(dòng)等功能，不僅完成了發(fā)揮部分要求,利用SPCE061A強(qiáng)大的語(yǔ)音處理功能，還增加了

2、語(yǔ)音播放功能。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 運(yùn)動(dòng)控制模型 智能算法 步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　一、 方案論證　　根據(jù)題目的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)勾畫設(shè)定軌跡和對(duì)設(shè)定軌跡的搜尋功能，并能實(shí)時(shí)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1.1所示。為實(shí)現(xiàn)各模塊功能，提出了幾種設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行論證。</p><p>　　圖1.1 系統(tǒng)方案框圖</p><p>　　

3、1、控制器模塊　　方案一：采用傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的運(yùn)算速度越快，運(yùn)動(dòng)軌跡精度越高，所以對(duì)單片機(jī)的執(zhí)行速度有較高的要求；又由于本系統(tǒng)程序量較大，使用的I/O口資源較多，對(duì)于51來說，實(shí)現(xiàn)這些功能都比較困難。　　方案二：采用凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A作為控制核心。與51相比，SPCE061A具有更加豐富的資源：具有32個(gè)可編程的I/O口，14個(gè)中斷源；CPU的工作時(shí)鐘頻率可以高達(dá)49.152MH

4、Z，可以更好地滿足本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求；獨(dú)特的語(yǔ)音功能可使本系統(tǒng)具有更好的人機(jī)交互界面。 　　綜上分析，選擇方案二。2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊　　在本設(shè)計(jì)中，主控制器通過對(duì)電機(jī)的步進(jìn)數(shù)控制來實(shí)現(xiàn)物體的運(yùn)動(dòng)，從而作出各種運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)計(jì)思想是將物體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為拉線的伸縮，最終將伸縮量轉(zhuǎn)化為電機(jī)的步數(shù)，從便于軟件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，采用了57BYG系列兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為被控電機(jī)，這種具有較高的控制精度，速度的可控性好，制動(dòng)性強(qiáng)。其驅(qū)動(dòng)方案如

5、下：　　采用微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊，微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊是由微控制器外接D/A轉(zhuǎn)換器及光耦隔離電路組成的，它可以產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)所需的相</p><p>　　二、 詳細(xì)軟硬件設(shè)計(jì)1、硬件設(shè)計(jì)　　系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配　　本系統(tǒng)硬件電路連接圖見圖2.1。</p><p>　　圖2.1  系統(tǒng)電路連接圖</p><p>　　SPCE061A的硬件資源分配見

6、表2.1。</p><p>　　表2.1  SPCE061A單片機(jī)硬件資源分配表</p><p>　　尋軌跡控制策略　　根據(jù)題目的要求，懸掛物沿曲線運(yùn)動(dòng)的軌跡分為兩段，連續(xù)段和間斷段?？刹捎?個(gè)光電傳感器作為檢測(cè)元件，其放置方式如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2  4個(gè)光電傳感器放置方式</p><p>　　

7、在連續(xù)段尋跡時(shí)，通過判斷四個(gè)傳感器的16種組合狀態(tài)，使電機(jī)作出相應(yīng)的伸縮動(dòng)作。當(dāng)軌跡為間斷線時(shí)，電機(jī)拉動(dòng)傳感器在大角度方向內(nèi)位移，直到在某一方向檢測(cè)到新的黑線為止。然后再調(diào)用連續(xù)段的尋跡程序?！　∠到y(tǒng)各模塊單元電路設(shè)計(jì)　?。?） 電源部分電路設(shè)計(jì)　　本系統(tǒng)中使用了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其額定工作電流達(dá)到2.0A，而W78××系列組件，最大輸出電流為1.5A，因此電路中采用了外接大功率三極管C5297來擴(kuò)大電流輸出

8、范圍，其電路如圖2.3所示。在7815的輸出極加上大功率三極管，擴(kuò)流后的電流為Io=Io′+Ic上式中Io′是7815的輸出端電流，Ic為三極管集電極電流。擴(kuò)大后的電流達(dá)到2.0A以上，滿足系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的要求。</p><p>　　圖2.3  電源電路</p><p>　　（2）語(yǔ)音播報(bào)模塊設(shè)計(jì)　　凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)自帶雙通道DAC音頻輸出，DAC1、DAC2轉(zhuǎn)換

9、輸出的模擬量電流信號(hào)分別通過AUD1和AUD2管腳輸出，DAC輸出為電流型輸出，經(jīng)LM396音頻放大，即可驅(qū)動(dòng)喇叭放音。放大電路如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4  語(yǔ)音播報(bào)電路</p><p>　?。?）尋跡部分電路設(shè)計(jì)　　根據(jù)題目的要求，懸掛物體要沿著黑線運(yùn)行，采用反射式光電傳感器進(jìn)行探測(cè)。光電傳感器的硬件設(shè)計(jì)如圖2.5所示。電壓比較器LM393的同相輸入Ⅴin

10、拉低，輸出為低電平。當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，接收管截止，同相輸入Ⅴin為高，比較器輸出為高電平。本系統(tǒng)中四個(gè)傳感器的的OUT分別連接IOB8～I(xiàn)OB11。</p><p>　　圖2.5  尋跡電路</p><p>　?。?） 顯示模塊設(shè)計(jì)　　在系統(tǒng)中，利用通用的液晶1602作為顯示模塊實(shí)時(shí)顯示尋跡或者定點(diǎn)的坐標(biāo)。　　液晶1602的技術(shù)參數(shù)為：　　◆顯示容量：32個(gè)字符，每個(gè)字符為5

11、×7點(diǎn)陣，分2行，每行16列　　◆芯片工作電壓：4.5-5.5V　　◆工作電流：2mA（5.0V）　　◆模塊最佳工作電壓：5.0V　　◆字符尺寸：2.95×4.35（W×H）mm　　其典型應(yīng)用接口圖如圖2.6。本系統(tǒng)中DB0~DB7連接SPCE061A的IOA0~IOA7，EP連接IOA8，R/W連接IOA9，RS連接IOA10。</p><p>　　圖2.6 

12、1602與單片機(jī)典型接口</p><p>　?。?） 鍵盤模塊電路設(shè)計(jì)　　根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了標(biāo)準(zhǔn)的4×4鍵盤，其電路原理圖如圖2.7。圖中C1～C4為4×4鍵盤的列信號(hào)，L1～L4為4×4鍵盤的行信號(hào)。在本系統(tǒng)中，用IOB4～I(xiàn)OB7連接鍵盤的列信號(hào)C4～C1；用IOB0～I(xiàn)OB3連接鍵盤的行信號(hào)L4～L1。</p><p>　　圖2.7 

13、; 4×4鍵盤電路原理圖</p><p>　　在本系統(tǒng)中，S1～S3、S5～S7、S9～S11、S13為數(shù)字鍵，如圖2.8，S4、S8、S12、S14～S16為功能鍵。</p><p>　　圖2.8  4×4鍵盤功能圖</p><p>　　2、軟件設(shè)計(jì)　　理論分析與計(jì)算　　1、位移/脈沖轉(zhuǎn)換方法：給步進(jìn)電機(jī)一定頻率的脈沖，使電機(jī)拖動(dòng)

14、一載體移位100cm，記錄下此期間所給脈沖總數(shù)z, 由此則步進(jìn)電機(jī)拉動(dòng)載體位移1mm所需的脈沖數(shù)(注意給定的頻率不要太高，否則會(huì)出現(xiàn)丟步。多測(cè)幾次，取脈沖數(shù)相近的那個(gè)脈沖數(shù)z),因此，直接可將拉線的位移轉(zhuǎn)化為送給電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)。脈沖的頻率決定轉(zhuǎn)速，脈沖個(gè)數(shù)決定位移。　　2、點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)核心算法：結(jié)合圖2.9說明，假設(shè)E（x0,y0）,F(x1,y1)為給定平面范圍上的任意兩點(diǎn)，作輔助線（圖中虛線部分），在直角三角形⊿ABE中 

15、      　　　　　　　　a0=;　　在直角三角形⊿CDE中:　　　　　　　　b0= 　　同理對(duì)于F點(diǎn)，兩拉線長(zhǎng)分別為：　　　　　　　　a1=　　　　　　　　b1= 　　因此當(dāng)懸掛物從E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到F點(diǎn)時(shí)：    電機(jī)1的收放線長(zhǎng)度為c（當(dāng)c<0，電機(jī)正轉(zhuǎn)（或拉線伸長(zhǎng)）；c>0時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)（或拉線收縮））　　　　　　　c=a0-a

16、1    電機(jī)2的收放線長(zhǎng)度為d（當(dāng)d<0，電機(jī)反轉(zhuǎn)（或拉線收縮），當(dāng)d>0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)（或拉線伸長(zhǎng)））　　　　　　　d</p><p>　　圖2.9  點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖</p><p>　　3、誤差補(bǔ)償：為了使運(yùn)動(dòng)軌跡更加平滑，采用按比例分配脈沖的原則進(jìn)行交替送脈沖，電機(jī)2所運(yùn)行的脈沖數(shù)是電機(jī)1所運(yùn)行的脈沖數(shù)的倍，因此電機(jī)1每運(yùn)行t

17、個(gè)脈沖，電機(jī)2就需要運(yùn)行×t個(gè)脈沖，該算法可能會(huì)造成電機(jī)2所送的脈沖數(shù)與理論計(jì)算脈沖數(shù)稍有偏差，因此加入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償程序，使得所運(yùn)行軌跡精度更高，曲線更平滑。　　4、數(shù)學(xué)模型：本設(shè)計(jì)要求懸掛物能夠畫一個(gè)圓，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(diǎn)，由此確定圓的方程為： 　　　　　　　　(x-x0)^2+(y-y0)^2=25^2　　若直接使用該方程來求圓上點(diǎn)的坐標(biāo)，算法比較復(fù)雜，

18、采用了圓的參數(shù)方程：　　　　　X=x0+25sint；　　　　　Y=y0+25cost；  (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(zhǎng)v累加，使t+q×v在周期[t,t+2π]內(nèi)變化，其中q為累加步數(shù)。這樣就可以采樣到圓上均勻的點(diǎn)，顯然，角度步長(zhǎng)v越小，在圓周上取得點(diǎn)越多，控制也會(huì)更精確?！　〕绦蛄鞒獭　。?）主程序　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用凌陽(yáng)μ'

19、n SP的匯編</p><p>　　圖2.10  主程序流程圖</p><p>　?。?）定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)子程序　　通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，使懸掛物從初始位置運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)流程圖如圖2.11所示：</p><p>　　圖2.11  定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)子程序流程圖</p><p>　?。?） 畫圓子程序　　根據(jù)圓的參數(shù)方程的計(jì)算圓上點(diǎn)的坐標(biāo)，

20、通過調(diào)用定點(diǎn)程序來實(shí)現(xiàn)，畫圓程序流程圖如圖2.12所示。</p><p>　　圖2.12  畫圓子程序流程圖</p><p>　?。?） 尋跡子程序　　通過判斷傳感器的不同狀態(tài)值，作出相應(yīng)的處理動(dòng)作，當(dāng)遇到斷點(diǎn)時(shí)，多角度檢測(cè)下段的黑線，直到再次檢測(cè)到黑線。尋跡流程圖如圖2.13所示。</p><p>　　圖2.13  尋跡子程序流程圖<

21、/p><p>　　三、 測(cè)試說明1、測(cè)試指標(biāo)　　將設(shè)計(jì)題目所要求的各基本功能和發(fā)揮部分進(jìn)行分項(xiàng)測(cè)試。2、測(cè)試儀器　　測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表3.1所示。</p><p>　　表3.1  測(cè)試使用的儀器設(shè)備</p><p>　　2 、自行設(shè)定運(yùn)動(dòng)測(cè)試 </p><p>　　將物體放在坐標(biāo)原點(diǎn)，控制物體作自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)

22、距離設(shè)定為 136cm ，完成時(shí)間為 55.86s 。表 3.2 是多次測(cè)試的紀(jì)錄。 </p><p>　　表3.2 自行設(shè)定運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù) </p><p>　　3 、圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)試 </p><p>　　首先設(shè)定圓心坐標(biāo)，根據(jù)給定半徑，單片機(jī)控制物體運(yùn)動(dòng)到畫圓的起始位置，并語(yǔ)音提示開始畫圓。經(jīng)測(cè)試所畫圓的最大軌跡誤差為 0.5cm ，所用時(shí)間為 48.56 秒。經(jīng)過

23、多次測(cè)試完成良好。 </p><p>　　表 3.3 圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)量表 </p><p>　　4 、定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)試 </p><p>　　首先設(shè)定物體所要到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，控制物體總左下角原點(diǎn)出發(fā)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)較好的完成了題目要求。表 3.4 是多次測(cè)試的紀(jì)錄。 </p><p>　　表3.4 定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù) </p><

24、p><b>　　5 、尋跡測(cè)試 </b></p><p>　　利用光電測(cè)試模塊，由單片機(jī)控制物體作任意形狀的尋跡運(yùn)動(dòng)，并能判斷間斷線段，表 3.5 為多次測(cè)試的結(jié)果。 </p><p>　　表3.5 尋跡測(cè)量數(shù)據(jù) </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 梅

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