基于单片机的悬挂运动控制系统设计

兰州交通大学毕业设计（论文）I基于单片机的悬挂运动控制系统设计摘要悬挂运动控制系统是运动控制中的一个独特而重要的分支。对这种系统的设计与研究可以解决实际生活中的很多问题。本系统是一电机控制系统，该课题要求被控对象通过步进电机的旋转来调节其两端的绳索长度，从而不断改变物体的位置，在 80cm100cm 的范围内做直线、画圆、点位等运动，此外，系统还要具备键盘输入与实时显示的功能。在对该课题做了功能需求分析之后，进行了具体的方案论证，详细地阐述了各个模块的工作原理。设计的主要内容包括：以逐点比较插补算法和等分圆法的计算原理为基础，采用 AT89C51 单片机作为运算、控制单元；为了实现对物体的位置、方向以及运动时间的精确控制，采用两相混合式步进电机 SC86HB65-04 作为运动的执行机构，并由 L297/L298 驱动器进行驱动；选用 44 键盘来设定任意点的坐标参数以及运行模式；同时，使用 LCD 显示器来直观地显示被控对象的位置坐标。结果表明，本课题采用的控制原理与设计思路可以满足任务要求。关键词：单片机，步进电机，悬挂运动，插补算法，等分圆法兰州交通大学毕业设计（论文）IIDESIGN OF THE SUSPENDED MOTION CONTROL SYSTEM BASED ON THE SINGLE-CHIP MICROCOMPUTERABSTRACTSuspended motion control system is a unique and important branch of the motion control system. Many problems in real life can be solved by design and study of this system. This system is a motor control system. The object is required to change position to make linear, circle and point motion in the range of the 80cm100cm through the rotation of the stepper motor to adjust the length of two ropes in this subject. In addition, the system has the function of keyboard input and real-time display. After the analysis of functional requirements on this subject, a specific demonstration of the program is done, the working principle of each module is clarified dentally also. The contents of the design include: The design is based on interpolation algorithm and sub-circle algorithm, AT89C51 single-chip microcomputer is used as the operator and control unit; Stepper motor SC86HB65-04 is used as the executing unit to achieve the precise control of the position, direction, and movement time, which derived by the driver of L297/L298; The selection of the parameters of points coordinates and the model of running is done by 44 keyboard; Besides, LCD display is used to show the location of the object coordinates. The results showed that the control theory and design ideas used in this subject meet the mission requirements.Key words: single-chip microcomputer，stepper motor，suspended motion，interpolation algorithm ，sub-circle algorithm兰州交通大学毕业设计（论文）III目 录1 绪论 - 1 -1.1 课题背景 - 1 -1.2 课题目的 - 2 -1.3 课题意义 - 3 -1.4 应解决的主要问题 - 3 -2 方案论证与比较 - 4 -2.1 总体控制方案选择 - 4 -2.2 控制器模块 - 5 -2.3 电动机选择 - 5 -2.4 电动机驱动模块 - 6 -2.5 显示模块 - 7 -2.6 算法选择 - 7 -3 系统功能及基本原理 - 9 -3.1 设计任务 - 9 -3.2 系统各模块基本原理 - 10 -3.2.1 单片机基本原理 - 10 -3.2.2 步进电机的基本原理 - 11 -3.2.3 步进电机驱动器工作原理 - 13 -3.2.4 键盘接口技术 - 14 -3.2.5 显示技术 - 15 -3.3 逐点比较插补法的原理 - 16 -3.3.1 逐点比较法直线插补的基本原理 - 18 -3.3.2 逐点比较法圆弧插补的基本原理 - 20 -4 硬件设计 - 23 -4.1 系统整体设计 - 23 -4.2 系统各功能模块单元电路设计 - 23 -4.2.1 步进电机驱动模块设计 - 24 -4.2.2 键盘模块设计 - 25 -兰州交通大学毕业设计（论文）IV4.2.3 显示模块设计 - 26 -4.2.4 系统 PCB 板 图 - 26 -5 软件设计 - 28 -5.1 理论分析与计算 - 28 -5.1.1 物体由原点出发的点位运动控制 - 29 -5.1.2 物体的直线运动控制 - 30 -5.1.3 物体的画圆运动控制 - 30 -5.2 WAVE 软件介绍 - 31 -5.2.1 系统特点 - 31 -5.2.2 主要技术性能 - 32 -5.3 程序流程 - 33 -5.3.1 系统总程序流程图 - 33 -5.3.2 键盘扫描子程序流程图 - 33 -5.3.3 逐点比较直线插补法流程图 - 33 -5.3.4 画圆子程序流程图 - 35 -5.4 系统测试 - 35 -结论 - 37 -致谢 - 38 -参考文献 - 39 -附录 系统程序 - 40 -兰州交通大学毕业设计（论文）- 1 -1. 绪论1.1 课题背景运动控制是自动化技术的重要组成部分，它集成了单片机原理、计算机控制技术、电力电子技术、电机拖动等内容，是很多高科技领域的技术基础。悬挂运动系统作为其中一个分支，具有鲜明的特色，因为被控对象是通过改变悬挂它的绳索长度来控制其运动轨迹的，不同于普通的平面控制。现代生活中，悬挂运动控制技术已经被广泛应用于工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中。在这些系统中，悬挂运动部件通常是具体的执行机构，因而悬挂部件运动的精确性就成为了该系统工作成效的决定因素。本课题就是设计一个基于单片机和步进电机技术的悬挂运动控制系统。当代的计算机是微电子学与计算数学相结合的产物。微电子学的基本元件及其集成电路构成了它的硬件基础；而计算数学的计算方法与数据结构则构成计算机的软件基础。微型计算机是大规模集成技术发展的直接产物，属于第四代计算机。自从 1971 年微型机问世以来，随着大规模集成技术的不断发展，导致微型机正朝两个主要方向发展：一个是高速度、高性能的高档方向发展；另一个是向稳定可靠、体积小而价格低的单片机方向发展 1。单片机的发展十分迅速。1976 年 9 月 Inter 公司率先推出 MCS48 系列单片机，它以体积小、功能全、价格低的特点，赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展过程中的一个重要阶段。在 MCS48 成功的刺激下，世界上许多著名的大公司竞相研制和发展自己的单片机系列。如 Inter 公司的 MCS51 系列、MCS96 系列，Motorola 公司的 6801、6802，Zilog 公司的 Z8 系列等。此外，日本的 NEC 公司，日立公司等也都推出了各自具有特色的单片机品种。近几年，很多公司又相继推出了新一代 80C51 系列单片机。从国内开发应用单片机的情况看，自 80 年代初起步以来，以 Inter 公司的MCS48 系列单片机为主导机种，率先渗入到微机控制的各个领域，取得了一定的应用成果。80 年代中期以后，随着性能更强、速度更快的 MCS51 系列的加入，单片机得到了更为迅速的推广。目前，尽管 16 位和 32 位单片机已为人们所了解和兰州交通大学毕业设计（论文）- 2 -熟悉，但在我国目前和今后相当一段长的时间内，8 位单片机仍然是实际应用中的主导品种，并且大多数单片机的应用仍会以 MCS51 系列单片机为主。单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益。更重要的意义在于，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统的设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件实现了。这种以软件代替硬件并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念的提出，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机的推广普及，微控制技术必将不断发展，日益完善。随着电子技术的发展，利用微处理器对步进电机进行控制在实际中已得到广泛的应用。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制，它以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的作用。作为控制执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械制造等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。本系统中，采用步进电机作为控制系统的执行机构，由于步进电机在不失步的情况下不会产生累积误差，即可使用开环的控制方式，在满足指标要求的前提下简化系统设计的复杂性。1.2 课题目的本课题利用所学的单片机原理，计算机控制技术，电力电子技术，电路等课程完成设计。通过该设计掌握步进电机的驱动原理与应用，以及计算机数字控制中插补计算的原理。融合单片机技术使被控对象可以在规定条件下完成任意曲线的运动。该课题应解决的主要问题是控制器如何来控制电机的转动。通过控制器发出驱动脉冲，通过两个电机的转动改变两段吊绳的长度，从而使吊绳上悬挂的物体在倾斜（仰角100 度）的板上运动。整个系统的设计分为硬件设计和软件设计两部分。硬件设计的核心是控制器模块，主要解决单片机显示接口技术的实现问题和电机的驱动控制问题。软件设计主要对相应的键盘扫描子程序、显示驱动程序、步进电机驱动程序以及走步子程序进行编程。该课题设计的目的是为了让我们把大学四年所学的知识融会贯通，综合在一起，兰州交通大学毕业设计（论文）- 3 -做到活学活用。并且该设计可以解决生活中存在的很多问题，对该模型的理论实现可以为现实应用打下坚实的基础。1.3 课题意义随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的悬挂运动控制系统就是其中之一。同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强，功能齐全，技术先进，是科技进步的成果。该课题的设计可以解决很多实际问题，比如利用此系统代替人去完成一些高风险、高难度的工作。本设计主要应用单片机作为控制核心，组成一个键盘、LCD 显示芯片、步进电机相结合的运动控制系统。充分发挥了单片机的性能。其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比很高，具有一定的使用和参考价值。1.4 应解决的主要问题在基于单片机的悬挂运动控制系统设计中，主要分为三个模块设计部分:一个是步进电机驱动模块设计；另一个是键盘输入和显示模块设计；第三个软件部分的设计。面临解决的主要问题有：（1）控制算法的选择；（2）步进电机驱动模块设计；（3）键盘及显示模块设计；（4）程序设计。兰州交通大学毕业设计（论文）- 4 -2. 方案论证与比较悬挂运动控制系统是一电机控制系统。为满足控制需要，本系统要采用单片机作为核心控制器件，以步进电机为具体的运动执行机构，并且采用键盘对被控对象的坐标及运行模式进行输入，最后还需要显示装置对键盘的输入内容进行实时显示。各功能模块的选取将做如下论证。2.1 总体控制方案选择方案一：闭环数字控制方式。闭环数字控制方式，主要利用光电传感器检测法，系统结构如图 2-1 所示。首先单片机根据输入的数据来计算物体要移动的距离并控制物体向目标的大概方向运动，红外发射接收器来探测悬挂物体移动了多少个11cm 的小方格，并经过 A/D 送给单片机，单片机通过特定的算法计算出物体的坐标，并控制电机的转动来控制物体向着目的坐标进发，在此过程中单片机不断计算、不断调整电机的转速和方向使悬挂物体做规定路线的移动。但其缺点是，电路复杂，不但要求要有 A/D 电路，光电探测电路，还要求其电路要做得十分精确。任何一个电路设计得不好，也会使物体运动产生很大的偏差。单片机 电机驱动 步进电机D / A 光电传感器图 2-1 闭环控制系统结构图方案二：开环数字控制方式。开环数字程序控制方式，即没有反馈系统，开环数字控制系统的结构如图 2-2 所示。由图可看出，此种控制方式与上面的控制方式相比，少了反馈电路。单片机由输入的数据来计算物体要移动的距离，直接发出控制脉冲来控制电机的转动，进而控制物体的运动方向。由于少了反馈电路，系统的兰州交通大学毕业设计（论文）- 5 -精度只与单片机所采用的算法准确性有关，此种方式电路结构简单，成本低且易于调整和维护，是一种较理想的方式。单片机 电机驱动 电机图 2-2 开环控制系统结构图从控制系统的角度来看，采用闭环控制方式比采用开环控制的效果要好。但在闭环方式的控制系统中，一般都需要反馈信息。就本设计而言，要取得物体位置反馈信息相当困难，采用纯粹的闭环方式控制的难度太大。作为控制系统的执行机构，步进电机具有在不失步时不产生累积误差的特性，故可以使用开环控制的方式。经计算表明，采用较小步距角的电机，系统可以很好地满足设计指标要求。因此，整个系统的总体控制结构是开环的。2.2 控制器模块根据设计要求，控制器主要用于控制电机，并对坐标参数进行处理，控制电机移动方向。对于控制器的选择有以下两种方案。方案一：采用 16 位单片机作为控制中心。RAM、ROM 空间大、指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、可编程音频处理、易于编写等优点。方案二：采用传统的 8 位 AT89C51 单片机作为运动物体的控制中心。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种