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1、 悬挂运动控制系统设计王奇彪 梁美 谭延龄摘要：本系统采用STC89C52单片机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，和画圆运动等功能。运动参数的设定通过红外遥控输入。系统通过比较当前画笔所在位置与设定的位置的差异以及运动类型，控制步进电机完成相应运动；曲线跟踪采用红外对射式传感器来实现。关键词： STC89C52单片机 LCD 红外遥控 红外传感器一、方案论证根据题目要求，系统由图（1）中模块组成：控制模块曲线跟踪模块电源模块键盘输入模块显示模块电机驱动模块 图（1）
2、（1）、控制模块的设计方案论证与选择方案一：采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、集成度高、体积小、稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求比较高的系统。在本设计中FPGA的高速处理能力得不到充分发挥。方案二：采用SPCE061A单片机来实现，次单片机内置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
3、，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。方案三：采用C8051F020作为系统控制器器。次单片机运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟等优点，各个领域应用广泛。在本系统中使用芯片引脚少，没有使用模数转换芯片，在硬件上很容易实现。因此，在本设计中采用C8051F020处理输入的数据并控制电机运动。（2）、曲线跟踪模块的设计方案论证与选择方案一：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
4、环境中磁性物质的干扰，抗干扰性能不好。方案二：采用多圈电位器式传感器间接测量方式。通过杠杆机构将线位移转化为电阻值的变化，再根据电阻与速度之间的关系实现速度的检测。方案三：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。在本系统中选择方案三实现曲线跟踪。(3)、键盘输入模块的设计方案与选择方案一：采用独立式键盘；独立式键盘，原理简单，扫描时间少；但在本系统中，使用的按键比较的多，所
5、以使用单片机的I/O口就较多。故在本系统中未被采用。方案二：采用矩阵式键盘；矩阵式键盘，占用单片机的I/O比较的少。利用软件可以实现多个按键的控制。但也相应的占用了较多的I/O口。方案三：采用红外遥控；使用现成的遥控器实现控制。在单片机输入口接一个红外接收头，就可以实现红外遥控了；他占用单片机的I/O少。更加有利于我们的控制。综上所诉：在本系统中采用红外遥控做键盘输入。（4）、显示模块的设计方案与选择因为LED 数码管显示容量有限，且动态扫描需要占用大量单片机时间，无法做到实时显示，所以本设计中采用1602 字符型LCM。1602 字符型LCM 克服了LED 数码管的缺点，具有显示容量大、占用
6、单片机口线少、节省单片机时间、功耗低等优点，完全符合本系统要求。（5）、电机驱动模块的设计方案与选择电机驱动模块是本系统的执行机构，用于控制悬挂物体的运动。因为本系统中未设置位置传感器，系统对位置的定位完全靠软件来实现，这就要求电机的控制精度必须要高。方案一：采用普通小型直流电机。普通直流电机由于其自身结构的限制，控制精度很低，无法达到系统要求的指标，这里不予采用。方案二：采用专用步进电机驱动器及与其配套的步进电机。用这种方案的控制精度、效率和可靠性都很高。唯一的缺点是价格较高。在本系统中采用方案二来实现电机驱动。二、系统硬件设计综上所诉，硬件的结构框图如图所示：C8051F020红外对射式循
7、迹7805、7812稳压红外接收电路1602液晶显示步进电机驱动电路（1）、红外对射式循迹电路设计本系统采用4个红外对射式传感器循迹；在经比较器LM339整形输入单片机控制。（2）、电源电路外接15伏电源电压，经过7812稳压输出12伏电压，有电源指示灯指示电压。再经过7805稳压得到5伏稳定电压给单片机供电。(3)、1602液晶显示电路使用P0口传输数据。P2口做液晶显示器的控制接口；（4）、步进电机驱动模块电路采用光电隔离，使单片机最小系统不受干扰，让系统能够正常的工作。电机采用L298N驱动。（5）、C8051F020最小系统三、系统软件设计1、软件设计（1）理论分析与计算a） 位移/脉
8、冲转换方法：给步进电机一定频率的脉冲，使电机拖动一载体移位100cm，记录下此期间所给脉冲总数z, 由此则步进电机拉动载体位移1mm 所需的脉冲数1000p = z (注意给定的频率不要太高，否则会出现丢步。多测几次，取脉冲数相近的那个脉冲数z),因此，直接可将拉线的位移转化为送给电机的脉冲个数。脉冲的频率决定转速，脉冲个数决定位移。b） 点到点运动核心算法：结合图 7.28 说明，假设E（x0,y0）,F(x1,y1)为给定平面范围上的任意两点，作辅助线（图中虚线部分），在直角三角形ABE 中a0= (x0 +15)(x0 +15) + (115 y0)(115 y0) ;在直角三角形CDE
9、 中:b0= (95 x0)(95 x0) + (115 y0)(115 y0)同理对于F 点，两拉线长分别为：a1= (x1+15)(x1+15) + (115 y1)(115 y1)b1= (95 x1)(95 x1) + (115 y1)(115 y1)因此当悬挂物从E 点运动到F 点时：电机1 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2 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1，电机2 的正反转向。而根据c，d 的绝对值来确定电机1，电机2各自所需的脉冲数：电机1 所分配的脉冲数：m= c p电机2
10、 所分配的脉冲数：n= d pc） 误差补偿：为了使运动轨迹更加平滑，采用按比例分配脉冲的原则进行交替送脉冲，电机2 所运行的脉冲数是电机1 所运行的脉冲数的m/n倍，因此电机1 每运行t 个脉冲，电机2 就需要运行m/nt个脉冲，该算法可能会造成电机2 所送的脉冲数与理论计算脉冲数稍有偏差，因此加入适当的补偿程序，使得所运行轨迹精度更高，曲线更平滑。d） 数学模型：本设计要求悬挂物能够画一个圆，设所画圆的圆心坐标为（x0,y0）半径为固定的25cm，（x,y）为圆周上的任意一点，由此确定圆的方程为：(x-x0)2+(y-y0)2=252若直接使用该方程来求圆上点的坐标，算法比较复杂，采用了圆
11、的参数方程：X=x0+25sint；Y=y0+25cost； (x0,y0)为圆心坐标这样，则圆的坐标仅与参数t 有关，因此，使角度t 以某一设定的角度步长v 累加，使t+qv 在周期t,t+2内变化，其中q 为累加步数。这样就可以采样到圆上均匀的点，显然，角度步长v 越小，在圆周上取得点越多，控制也会更精确。2、程序流程图 （1）、悬挂运动控制主程序流程图 （2）、画圆流程图三、系统测试为了确定系统与题目要求的复合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试。 （1）、 测试仪器测试使用的仪器如表（1）所示。 表（1） 测试使用的仪器设备序号 名称、型号、规格 数量 备注 1 双踪示波器：
12、1 2 秒表精度0.01 1 3 UNI-T数字万用表 1 胜利公司 4 10米卷尺 1 （2）、指标测试和测试结果a、 定点运动的测试我们最初实现的是物体在纸板上的定点运动，即把物体放在原点处，通过键盘输入物体将要到达的点的坐标值，开启电源，让物体开始运动。记录物体从原点到达目的点所经历的时间和偏差，记录如下：第一次：输入坐标为(80,100) 历时时间为10s 偏差为0.5 cm第二次：输入坐标为(70，40) 历时时间为8s 偏差为0.8 cm第三次：输入坐标为(50,60) 历时时间为10s 偏差为1.0 cm 在走定点运动时我们让电机的转速加快，所以速度比较快，时间上比起其它运动会短
13、很多，并且准确率很高。 b、 圆周运动部分测试将物体用手放于圆心任意设定（可通过按键输入圆点坐标），半径为25cm的圆周上，开启电源，让物体作圆周运动，记录全程时间，预期轨迹和运动轨迹的偏差。记录如下：第一次：时间为50s 偏差为0.8cm第二次：时间为 40s 偏差为1.5cm第三次：时间为 45s 偏差为 2.0cm系统单独实现做圆周运动时，物体运动所需的时间比较短，且误差比较小，但随着多个模块的累积，物体走圆周运动就不如以前好了，偏差比以前明显大了许多，且圆看起来也不如以前那么平滑了。 C、 光电检测部分测试反射式光电传感器的负载电压是4.5V-5V，在使用时需要接上拉电阻，以能明显看到
14、传感器的状态变化为基准，其上拉电阻为小于10k为好，我们选用的是5k。在检测时我们需要调整传感器离纸板的高度，使其在黑线和白色纸板上反射时能明显工作于高低电平之间。将传感器对准黑线时，传感器输出应为高电平，当将其离开黑线时，受白色坐标纸反射，输出变为低电平。用示波器来观察其输出波形的变化，调整其高度使其变化最敏感。 d、 沿黑线做连续曲线运动的测试在纸板上任意位置划一条粗为1.5 cm-1.8 cm的黑线，将物体用手放在黑线的起点，启动电源，让物体做沿黑线的运动。记录全过程所耗时间和预定轨迹和运行轨迹的偏差。记录如下：第一次：曲线长度：30 cm 时间为 1min 偏差为1.0cm第二次：曲线长度：30 cm 时间为 55s 偏差为1.5cm第三次：曲线长度：30 cm 时间为 1min15s 偏差为2.0cm由于技术不是很精，有时候物体走的路线会偏差很大，一旦偏离黑线很大距离，物体就无法再回到原来的路线继续运动，而会一直偏下去。 e、 沿黑线做断续曲线运动的测试在纸板上画出三条粗为1.5 cm-1.8 cm的黑线，形成两条间断距离不大于1cm的间断线段，物体从连续黑线运动到断续处，遇到第一个断点可断点顺利跨过，继续向前运动，遇第二个断点也顺利跨过。记录其时间和误差如下：第一次：曲线长度：20 cm 时间为 50s 偏差为：1.0cm 第一
