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1、摘 要 本次课题设计制作了一个单片机控制的悬挂系统，通过相关参数计算及程序的设计，使系统的各项性能指标满足课题要求。其核心部分是控制芯片单片机，由于其具有高集成度、高性价比、最简单外围电路、高效率等优点，所以能在实际生活中得到广泛的应用。悬挂轨迹控制系统是一套电机控制系统，控制物体在80cm100cm的范围内作直线、圆、寻迹等运动，并且在运动时能显示运动物体的坐标。本设计采用MSP430F1611单片机对步进电机进行控制，通过多圈电位器实现对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正,以达到对物体的控制和对坐标点的准确定位。控制信号经过L298驱动电路来驱动步进电机，完成相
2、应的规定动作；同时用键盘来控制任意坐标点的参数，并用液晶显示器显示悬挂物体中画笔所在位置的坐标；软件功能模块主要完成对步进电机运动的位置、速度、方向以及运动时间的控制。关键词：单片机 步进电机 算法AbstractThis topic designed a suspension system which controlled by microprocessor, through the calculation of relevant parameters and procedures which designed to make the performance of the system to
3、 meet the subject requirements. Its core part is the control chip microcontroller, since it has high level of integration, cost-effective, and the most simple buffer circuit，high efficiency etc, so that be widely applied in real life. Suspension track control system is a set of motor control system,
4、 it controls the object in straight line, round, tracing, sports within the scope of 80 cm100 cm, and can show the coordinates of moving objects in sports by the time. This design uses the MSP430F1611 microcontroller to control the stepper motor, achieving accurate measurement of the pedants positio
5、n through multi-turn potentiometer, and introduce local close-loop feedback control links to error correction, so that to achieve control the object and with a accurate location to coordinate. Control signal drive stepping motor by L298 drive circuit, completing the corresponding regulations action;
6、 At the same time, using the keyboard to control any points of parameters, and display the coordinates of the brush in hanging objects with liquid crystal display. The software function module mainly completed control of the stepper motor in position, speed, direction and movement time.Key words：Sin
7、gle chip computer Stepping motor Arithmetic目 录摘要IAbstractII绪论11 方案的比较与论证21.1 设计任务21.2 设计要求31.3 数学模型31.4 系统方框图41.5 方案的论证与选择41.5.1 单片机的选择与论证41.5.2 电机的选择与论证51.5.3 驱动电路的选择与论证51.5.4 显示模块的选择与论证51.5.5 红外探测器工作方式的选择与论证61.5.6 探测模块信号传输方式的选择与论证72 系统软件设计82.1 单片机系统简介82.2 MSP430系列单片机介绍82.3 开发环境的简介102.4 开发语言的简介102.
8、5 算法分析112.5.1 软件设计原则112.5.2 脉冲与位移的关系112.5.3 位移/数据转换方法112.5.4 点到点运动122.6 步进电机控制方法132.7 步进电机控制程序的设计思想132.8 菜单程序的设计142.9 误差补偿142.10 程序流程152.10.1 主程序流程图152.10.2 定点运动子程序152.10.3 画圆子程序162.10.4 寻迹子程序172.10.5 液晶屏对运动物体坐标实时显示的实现182.10.6 单片机对步进电机的浮点型控制方法192.10.7 3*3点阵反射式红外光电传感器实现循线213 系统调试与数据记录223.1 测试指标223.2
9、测试仪器223.3 自行设定运动测试233.4 圆周运动测试233.5 定点运动测试233.6 循迹运动测试243.7 系统实现的功能24结论26致谢27参考文献28I绪 论 现代的车辆运动、医疗设备和工业控制等系统中，悬挂运动系统的应用越来越多，在这些系统中悬挂运动部件通常是具体的执行机构，悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素，因而实际实现悬挂运动控制系统的精确控制具有极其重大的现实意义。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距
10、角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池
11、供电的便携式仪器仪表中。本系统采用低功耗MSP430F1611统平台设计了悬挂运动控制系统，采用L298驱动步进电机，提高电源利用率；红外传感检测，提高纠错能力。由单片机产生脉冲信号驱动有精确步距的步进电动机，电机带动悬挂部件在平面上做特定的准确运动。通过完成基于MSP430单片机的悬挂系统软件的设计，将自动化专业相关的理论融会贯通，理解MSP430单片机、步进电机的运行原理，步进电机的启动、控制方式，学会分析问题、解决问题，掌握系统工程设计的方法，为今后从事相关领域的研究及技能工作奠定良好的基础。1 方案的比较与论证1.1 设计任务本课题要设计一电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角100度）的
12、板上运动。具体为在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为80cm100cm。物体的形状不限，但质量大于100克。在物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。板上标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点, 示意图如下图1-1所示。图1-1 任务示意图1.2 设计要求 (1) 控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；物体在80100cm的范围内可以作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，且必须要在300秒内完成；控制物体作圆心可任意设定、直径为5
13、0cm的圆周运动，且必须要在300秒内完成；物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于40cm)。(2) 能够显示物体中画笔所在位置的坐标；控制物体沿板上标出的任意曲线运动，曲线在测试时现场标出，线宽1.5cm1.8cm，总长度约50cm，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约30cm；后一部分是两段总长约20cm的间断线段，间断距离不大于1cm；沿连续曲线运动限定在200秒内完成，沿间断曲线运动限定在300秒内完成。1.3 数学模型本设计要求悬挂物能够画一个圆，采用微分曲线直线逼近法。首先将圆周等分为n份，将每小份弧线段等效为直线段画出，n越大，曲线就
14、光滑。设所画圆的圆心坐标为（,）半径为固定的25cm，（,）为圆周上的任意一点，由此确定圆的方程为： （1-1）若直接使用该方程来求圆上点的坐标，算法比较复杂，采用了圆的参数方程： （1-2） （1-3） 这样，则圆的坐标仅与参数t有关，使角度t以某一设定的角度步长v累加，使t+q*v在周期t,t+2内变化，其中q为累加值。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 1。1.4 系统方框图 系统总方框图如图1-2所示键盘控制器 显示显示驱动多圈电位器A/D转换直流电机电机驱动 反射式 光电传感器图1-2 系统总方框图1.5 方案的论证与选择1.5.1 单片机的选择与论证系统的控制单元是整个系统的大脑，是整个系统运行的核心部件，起着控制系统所有运行状态的作用。通常选用单片机作为系统的核心控制单元。根据题目的设计要求，本设计主要实现勾画设定轨迹和对设定轨迹的搜寻功能，并能实时的显示物体中画笔所在位置坐标。方案一：FPGA/CPLD方式。用FPGA/CPLD完成键盘定义与识别、电机工作状态选择与切换、液晶电路的驱动与控制等功能。这种方案的优点在于系统结构紧凑、操作方便，而且可以使用的I/O口线很多；缺
