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1、1悬挂运动控制系统摘要 本系统采用 MSP430F149 为主控芯片，通过液晶屏和键盘实现人机交互，通过步进电机对悬挂载荷进行开环运动控制，使用安装于悬挂载荷的反射式红外光电传感器提供的反馈对面板上给定曲线进行闭环跟踪。关键字： MSP430 单片机 步进电机 红外传感器Abstract This system is consisted by the controlling core of MSP430 MCU, the human interface of a LCD and a keyboard, two step motors for open-loop controlling of t
2、he suspended load and a matrix of reflected infrared optic-electronic sensors for feedback of the close-loop tracing to the given curve. Keywords: MSP430 MCU step motor infrared optic-electronic sensor21 系统方案根据题目要求，系统主要实现的功能是自由运动、定点运动、圆周运动和循迹运动，通过手动设置参数，并能在运动的过程中实时显示坐标，关键在于电机的精确控制。系统的方案框图如图 1 所示： 控制
3、器模块M C U按键控制显示系统模块声光报警提示系统电机控制模块电源模块循迹模块图 1 系统方案图1.1 控制器方案模块的论证与选择方案一：采用通俗的 51 单片机，运用比较广泛，有良好的知识作为基础，上手很快。但是本系统的程序量较大，需要的 I/O 口资源较多，51 单片机难以胜任。 方案二：系统采用 TI 公司所生产的 MSP430F149 单片机为主控制芯片，有非常丰富的资源：6 个 8 位并行口其中两个有中断功能，12 位的 ADC,强大的定时器,精密的比较器，大容量的 RAM 和 ROM,存储大容量的程序。 基于上述分析，我们选择方案二。1.2 电机方案模块的论证与选择方案一：采用直
4、流电机控制悬挂物体的运动，直流电机力量大，能获得较大的启动转矩，转动速度快，但由于存在机械触点，直流电机容易产生噪声,而且单独使用时不能完成位置控制，需要配以传感器才能控制定位，增加了系统的复杂度。 方案二：采用步进电机控制悬挂物体的准确运动，步进电机不需要使用传感器就能精确定位，而且通过给定的脉冲周期，能够以任意速度转动，定距运动较精确。虽然步进电机不能高速转动，但根据题目要求的时间和移动距离，步进电机完全能够符合要求，是该种要求下广泛使用的一种电机。 基于上述理论分析，我们选择方案二。1.3 循迹模块的论证与选择方案一：可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于3
5、其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判，即使是采用超高亮发光二极管可以降低一定的干扰，但这将增加额外的功率损耗。 方案二：脉冲调制的反射式红外发射-接收器。采用带有交流分量的调制信号，可以大幅的减少环境光源的直流分量的干扰，但由于该红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，该最大电流需要通过调节占空比来调节；而且需要添加额外的电路和程序，本题中并不需要很大的电流，故不需要采用该管子。 方案三：不调制的反射式红外发射-接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，可以有效的降低环境光源的干扰，尺寸小、质量轻、灵敏度高，对辅助 装置的要求最少，对人眼 无伤
6、害，采用不调制的反射式红外发射-接收器完全可以有效的降低干扰，而且方便可 行，能够准确的实施检测。 基于上述考虑，我们决定采用方案三。1.4 电源模块的论证与选择方案一：整个系统都采用同一电源电路，因此电路连接比较简单。但是由于电动机启动瞬间需求电流很大，而且给定脉冲信号驱动的电机电流波动较大，会造成干扰，对单片机系统造成严重的干扰，缺点明显。 方案二：双电源供电。将电机驱动电源（12V）和单片机的供电电源（3V）完全隔开，这样设计可以彻底消除电机驱动所造成的干扰，提高了系统的稳定性。 基于上述考虑，所以选择方案二。1.5 显示系统模块的论证与选择方案一：采用 LED 数码管显示器。LED 数
7、码管亮度高，醒目，但是其电路复杂，占用资源较多，显示信息量较小。 方案二：采用 LCD 液晶显示器。LCD 有明显的优点：微功耗、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适；可以用中文 LCD 液晶进行菜单显示，使整个控制系统更加人性化。基于上面的比较分析，决定选用方案二。1.6 按键模块的论证与选择方案一：矩阵键盘虽然占用单片机的端口少，节约单片机的硬件资源，主要针对多键盘设计，适用于控制要求高、控制功能多的系统。 方案二：通用简单键盘设计简单，易于实现。但在所需按键控制多的情况下就显得排布不简洁和杂乱。通过以上分析，决定使用方案一。1.7 软件方案 系统的运动可以是通过轨迹的方程算出下一点的坐
8、标，再解两个直角三角形来算出电机应有的动作（详见软件方案算法分析） 。这里涉及到超越方程和开方运算，对于主要用于控制的单片机来说如此大量运算并不适合。我们是将计算坐标的运算用取数组的值来代替，让单片机只进行开方的运算，简化了软件复杂度，效果良好。2 系统理论分析与计算2.1 算法分析与计算 41）脉冲与位移的关系 电机的缠线轴直径是 3cm，我们选定的步进电机是每一步 0.9的四相步进电机，故每一个脉冲对应的线的位移是 3.1415926*3/400=0.02356193445 cm。总位移与脉冲个数成正比。2)点到点运动 结合图 2 说明，假设 A（x0,y0）,B(x1,y1)为给定平面范
9、围上的任意两点，作辅助线（图中虚线部分）在直角三角形ACE 中 22015aXoYo在直角三角形ADF 中: b0 229同理对于 B 点，两拉线长分别为： 22151aXYb1 9A（X0，Y0）B（X1，Y1）电机 AAA电机 BAAC DFE0yxb1b0a1a080cm15cm15cm100cm图 2 点到点实物示意图因此当悬挂物从 A 点运动到 B 点时： 电机 A 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 B 的收放线长度为 d（当 d0 时，电机正转（或拉线伸长） ）d=d0-d1 根据 c，d 的正负分别确定电机 A，电机 B 的正反转向
10、。而根据 c，d 的绝对值来确定电机 A、电机 B 各自所需的脉冲数： 5电机 A 所分配的脉冲数： m= p c电机 B 所分配的脉冲数： n= pd2.2 定点运动模块的分析与计算 假设现在点 A（x0,y0）,目标点 B（x1,y1） ，则斜率 k=(y1-y0)/(x1-x0),设 k1,将两点间 x 轴长度等分 m 份，则每份 p=（x1-x0）/m。则下点为 Xn=Xn-1+p，Yn=Yn-1+p*k。再调用点到点子程序完成定点运动。 2.3 循迹模块的分析与计算我们设计的循迹模块如图 3 所示，四个光电传感器“十”字分布，足够小使它们可以全部在黑线内。由于循迹的黑线可能有断点，因
11、此当有一个传感器检测到白纸时，要进行两种判断：是遇到了断点还是非断点的出界。例如 1 号传感器检测到白纸，模块将沿 1 号方向走一段大于断点间距的距离，在进行检测判断：如果检测到黑线则此处为断点，继续向此刻检测出黑线的传感器所处的方向前进：如果检测到的是白纸，则此处为非断点出界，回到前一点，再向其他 3 个方向做相同试探，最后向检测到黑线的方向前进。由于断点间隔为不大于 1cm 要求，按照以上循迹思想我们将光电传感器的安装间距设为 1cm.123 4图 3 循迹模块3 电路与程序设计3.1 电路的设计3.1.1 电机控制模块电路原理图采 用 L298 驱 动 步 进 电 机 控 制 丝 线 收
12、 缩 或 放 线 ， L298 工作电压高，工作电流大，可 以 驱 动 大 电 流 的 步 进 电 机 。 步 进 电 机 最 小 转 动 角 度 为 0.9 度 ， 位 置 控 制 精 确 ，有 良 好 的 启 停 、 反 转 效 应 ， 可 以 实 现 准 确 定 位 ， 详 细 电 路 图 如 图 4 所 示 。63.1.2 循迹模块电路原理图使用集成红外对管 ST188 来实现了边界颜色的识别功能。如图 5 所示，正常情况下，光电管检测到的是跑道上的白色路面，由于白色的反射光致使光电管导通。输出为低电平，发光管不亮；反之，如果检测黑色边界或物体，光电管不会导通，此时输出为高电平，发光二
13、极管发出光信号，而且输出送到单片机 I/O 口，让处理器作出相应的控制。图 5 循迹模块系统框图3.1.3、按键控制系统电路使用矩阵键盘控制，矩阵键盘占用单片机的端口少，节约单片机的硬件资源，适用于控制要求高、控制功能多的系统。 其电路图如图 6 所示。图 4 L298 电机驱动电路7图 6 按键控制电路3.1.4 电源电路电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供 5V 或者 12V 电压，确保电路的正常稳定工作。其电路图如图 7 所示。图 7 电源电路设计3.1.5 声光报警提示系统本系统为我组人员经过讨论额外加的部分系统，作为完成指定要求的提示系统，从声音和光的的判别中确定任
14、务的完成，更加明了清晰，便于检验和提示。83.2 程序的设计3.2.1 程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示以及电机的控制。1）键盘实现功能：设置指定坐标、不同轨迹控制键以及设置输出信号类型。2）显示部分：显示运动轨迹、运动指定坐标、控制模式、运动时间显示。2、程序设计思路根据步进电每脉冲所走的距离，按所设定的目标坐标控制相应的电机收或放相应的线长（详见 2 系统理论分析与计算）3.2.2 程序流程图初始化是否按键开始自由运动 定点运动 圆周运动 循迹运动复位确定选择结束YN设定坐标并执行4 测试方案与测试结果4.1 测试仪器：名称 型号 数量 备
15、注双路稳压电源 DF1731SB2A 1数字示波器 TDS1002B 1数字万用表 MAS830L 1秒表 无 1 手机所带94.2 测试方法：软硬件首先各部分单独测试，测试达标后，进行联调，逐项完成指定要求。4.3 测试结果及分析4.3.1 自主运动测试测试的次数 1 2 3行程（CM） 150 160 170完成时间（S）38 41 434.3.2 定点运动测试预先设定终点的坐标，滑块从（0，0）点运动到终点，测试表格如下：序号 设定终点坐标(x,y) 实际坐标(x,y) 误差cm时间S1 （40,60） （40,59.5） 0.5 292 （50,75） （49.5,74.5） 0.8
16、313 （75,34） （74.5,34） 0.5 344.3.3 自己设定划正弦波形运动测试 由原点运动出发，垂直上升 40cm 的路程后做正弦波运动，并在液晶显示器上实时显示出运动轨迹。序号 误差/cm 画正弦运动所用时间/s1 0.5 342 0.5 313 0.3 374.3.4 画圆运动测试 首先根据设定的圆心，由原点运动到所要画圆的中心，由圆中心运到到水平半径边缘开始画圆，并且实时显示。序号 设定圆心（x,y） 画笔测试起始位置 时间/s 误差/cm1 (50,45) 实时显示 37 0.52 （30,50） 实时显示 36 13 （25,65） 实时显示 34 0.84.3.5 循迹运动测试滑块上的光电传感器能辨别黑白，由 MSP430 控制电机拉动滑块沿黑线运动，并能越过断点，并能显示运动轨迹。测试表如下：序号 连续线完成情况 间断线完成情况 时间
