悬挂运动控制系统的设计.doc

摘 要在现代的工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中，悬挂运动控制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，因而悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素，而在实际中实现悬挂运动控制系统的精确控制是非常困难的。靠改变悬挂被控对象的绳索长短来控制被控对象运动轨迹的悬挂运动控制系统，在生产控制等领域有很广的应用范围，但受技术上的制约，使用也有一定限制。悬挂轨迹控制系统是一电机控制系统，控制物体在80cm*100cm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。设计采用AT89C52单片机作为核心器件实现对物体运动轨迹的自动控制，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。采用脉冲宽度调制技术控制直流电机驱动芯片L298，以实现对电机的转速、转向、启停等多种工作状态进行快速而准确的控制。采用红外光电传感器实现检测电机速度和画板上黑色曲线轨迹。关键词：运动轨迹；多圈电位器；脉宽调制；红外反射光电传感器；直流电机Design of Control System of Suspension Movement Track Based on MCUAbstractInmodernindustrialcontrol,medicalequipmentandvehiclesmovementsystem,theapplicationofsuspensionmovementcontrolsystemmoreandmore,hanginginthemovingpartsinthesesystemsareusuallyspecificexecutivemechanism,thusthemotionaccuracyofsuspensioncomponentsisamajordeterminantofthewholesystemperformance,andinpracticetorealizeaccuratecontrolofsuspensionmovementcontrolsystemisverydifficult.Bychangingsuspensionropelengthofthecontrolledsystemtocontrolthemovementtrajectoryofthecontrolledsuspensioncontrolsystem,andinproductioncontrolandotherfieldshaveawiderangeofapplications,buttherestrictionofthetechnology,usedalsotohavecertainrestriction.Hang trajectory control system is a motor control system, object make linear, circle, searching locus and etc locomotion within the range of the 80cm100cm, while movement system can display the coordinate of the object. Adopt AT89S51 MCU as the main part to realize the automatic control of the object motion locus in this design, system using multiturn potentiometer to measure the position of object, and introduces local closed-loop feedback control system link to correct error, in that case system can improve the accuracy of control and orientation. In this design system also adopt PWM technique control DC motor drive chip L298 to realize the accurate control of motor rotation speed, rotation direction, Start, Stop and etc operating position. System adopt infrared photosensor measure motor rotation speed and drawing locus by black curve on the palette.KEY WORDS:Sport trajectory；Loopy potentiometer；PWM；Infrared photosensor；DC Motor目 录第一章 绪论11.1论文选题背景及研究意义11.2国内外研究现状11.3论文研究的主要内容2第二章 方案论证42.1 系统设计要求42.2 系统方案论证52.2.1电源部分方案论证52.2.2电机选择论证62.2.3驱动及调速方案论证62.2.4电机控制模块方案论证62.2.5电机速度采集模块方案论证72.2.6寻迹部分方案论证72.2.7显示及键盘模块方案论证82.2.8控制方式论证8第三章 硬件电路设计93.1硬件系统整体结构简介93.2电源部分电路设计103.2.1 7805芯片介绍103.2.2 电源部分电路113.3电机控制模块设计123.3.1 L298N芯片介绍123.3.2 电机驱动模块设计133.4电机速度采集设计143.4.1 ADC0832介绍143.4.2电机速度采集电路153.5 寻迹部分电路设计163.5.1寻轨迹控制策略163.5.2 寻迹模块电路163.6显示模块设计173.6.1 MAX7219介绍173.6.2 显示模块电路173.7键盘模块电路设计183.8 主控制器模块设计203.8.1 AT89C52介绍203.8.2 单片机最小系统23第四章 软件部分设计254.1 理论分析与计算254.1.1 位移/数据转换方法254.1.2 点到点运动核心算法254.1.3误差补偿264.1.4 画圆数学模型264.2 程序流程图274.2.1主流程图274.2.2定点运动子程序274.2.3 画圆子程序284.2.4寻迹子程序29第五章 总结31致 谢33参考文献34附录一 程序清单36附录二 硬件原理图5052第一章 绪论1.1论文选题背景及研究意义运动控制是自动化技术的重要组成部分，是机器人等高技术领域的技术基础，已取得了广泛的工程应用。运动控制集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等内容。自二十世纪八十年代初期，运动控制器已经开始在国外多个行业应用，尤其是在微电子行业的应用更加广泛。而当时运动控制器在我国的应用规模和行业面很小，国内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品。在现代的工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中，悬挂运动控制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，因而悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素，而在实际中实现悬挂运动控制系统的精确控制是非常困难的。靠改变悬挂被控对象的绳索长短来控制被控对象运动轨迹的悬挂运动控制系统，在生产控制等领域有很广的应用范围，但受技术上的制约，使用也有一定限制。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较高的系统。本设计中，FPGA的高速处理能力得不到充分发挥。所以在本次设计中，主要是以单片机作为控制核心。在本设计的基础上还可拓展设计成基于三线悬挂结构的运动控制装置。所谓三线悬挂是指，将三根缆线系于一点并悬挂重物，且三根缆线分别挂在三个固定滑轮上，其长度由电机驱动的三个绕线电机分别控制，从而控制悬挂重物在三维空间中的位置。其中原理和悬挂轨迹控制系统一样的。本课题的研究意义在于，悬挂运动控制系统广泛应用于工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中，有较大的实际应用价值。另外，我国电动机装机容量约为4亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的百分之六十到七十。面对能源紧张的现状，研究本课题从而进一步深入了解悬挂运动控制系统有利于我们合理、经济、有效地利用电能资源。1.2国内外研究现状十九世纪八十年代以前，在运动控制系统领域中只有直流电气传动；十九世纪末，由于出现了交流电机（鼠笼式异步交流电机）开始逐步使用交流电气传动；二十世纪三十年代起，形成了直流调速，交流不调速的格局；二十世纪后期，交流调速兴起，运动控制系统进入了一个全新的时代。运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推新的产业革命关键技术。运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片（ASIC）作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC总线和以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一。高速，高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用DSP的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用DSP和FPGA技术，使系统结构更加开放，根据用户的应用要求进行客制化的重组，设计出个性化的运动控制器将成为市场应用的两大方向。目前运动控制器从结构上主要分三大类：（1）基于计算机标准总线的运动控制器；（2）Soft型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口；（3）嵌入式结构运动控制器，这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。国外：运动控制技术作为自动化技术的一个重要分支，在二十世纪九十年代，国际上的发达国家已经进入了快速发展阶段。由于有强劲的市场需求推动，运动控制技术发展迅速并且应用广泛。国内：我国在运动控制器开发方面相对落后，“八五”期间，我国广大科研工作者也成功地开发了两种数控平台和“华中型”、“蓝天型”、“航天型”、“中华型”等四种基本系统。但从整体来说这些系统是数控系统，不属于独立的开放式运动控制器产品。1.3论文研究的主要内容本文研究的悬挂运动控制系统是一电机控制系统, 集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等。本系统设计中以单片机为控制核心，由直流电机、驱动电路为执行设备，结合电源模块、4*4键盘及LED显示屏等构成的悬挂运动控制系统。本文算法设计针对线段轨迹的运动的特点，由物块的位移量折算成多圈电位器转动圈数，通过单片机运算确定物块位置进而控制电机拖动物块运动。针对圆周运动，采用微分曲线直线逼近法的方式。首先运算出圆周上各点，再调用定点运动子程序进行执行。论文详尽论述了系统的方案选择及设计、硬件电路设计及运动轨迹的控制算法的论证与选择。通过所需运动轨迹曲线的参数方程，建立运动控制模型，按照算法对两组驱动步进电机进行控制，实现了悬挂物体在给定的范围内的定点运动、圆心可任意设定的圆周运动等功能，以及完成了实现通过人机界面对物体所作运动进行设定，通过液晶显示屏实时显示画笔所在的坐标值等发挥要求。第二章 方案论证2.1 系统设计要求设计一个电机控制系统，控制物体在倾斜的板上运动（仰角100度）。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80cm*100cm，物体形状不限，质量大于100克。物体上固定有浅色的画笔，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2.1 实物示意图基本要求：（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；（2）控制物体在80cm*100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体运动时能在板上画出轨迹，限时300秒；（3）控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限时300秒；（4）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）扩展要求:（1）能够显示物体中画笔所在位置的坐标；（2）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1.5cm-1.8cm，总长度约为50cm，颜色为黑色，曲线的前一部分是连续的，长约30cm，后一部分是两段不连续的，总长约20cm，间断距离不大于1cm，物体沿连续曲线运动时间在200s以内，沿不连续曲线运动时间在300s以内。2.2 系统方案论证方案一：以DSP作为悬挂运动控制系统的检测和控制核心。采用步进电机作为执行机构,高速光隔器件、MOSFET器件等作为步进电机的控制器件,利用DSP强大的软、硬件资源,实现了控制物体在80cm 100cm 的范围自行设定的线段及圆弧轨迹的运动。方案二：采用以FPGA为控制核心，驱动步进电机来控制物体完成基本绘图和寻迹功能，并能根据键盘输入的任意设定坐标值使悬挂物体达到对应的位置。使用该系统通过采用坐标系统和细分控制方法的算法实现物体的运动控制和精确定位，并能通过优化软件算法提高运动的精确度。方案三：采用单片机作为数据处理及控制的核心,经过驱动电路与直流电机A和电机B联接,对被控物体作出控制,光电检测用来检测被控物块的运动轨迹与预定轨迹的偏差, 再反馈给单片机, 再由单片机发出调整控制指令。根据掌握知识及实际考虑，选择方案三。系统总体框图如图2.1所示。控制器LED显示44键盘电机A电机B寻迹部分执行机构电机驱动电源（12V）单片机的供电电源（5V）速度采集模块电机驱动模块图2.2系统整体框图2.2.1电源部分方案论证方案一：所有器件都采用单一电源。这样供电虽然比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且给定脉冲信号驱动的电机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，对单片机系统造成严重的干扰，缺点十分明显。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（5V）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，所以我们选择方案二。2.2.2电机选择论证方案一：采用直流电机。直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速）、调速范围宽、低速性能好（起动转矩大、起动电流小）、运行平稳、噪音低、效率高等方面。方案二：采用步进电机。步进电机具有控制简单、定位精确、无积累误差等优点。但它在运行时噪音大、高速扭矩小、启动频率低、价格较高。基于上述比较，为了方便地对电机进行无级调速，和需要电机带负载能力强的特点，这里我们采用直流电机。2.2.3驱动及调速方案论证方案一：采用继电器对电动机的开和关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，实现容易；缺点是继电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短。方案二：采用内集成有达林顿管组成的H型的功率变换桥电路的恒压恒流桥式2A驱动芯片。用单片机输出PWM信号控制使之工作在占空比可调的开关状态，通过程序调节占空比精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。方案三：采用DSP芯片，配以电机控制所需要的外围功能电路，通过数控电压源调节电机运行速度，实现控制物体的运动轨迹。该方案优点是体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。但系统软硬件复杂、成本高。基于上述理论分析和实际情况，拟定选择方案二。2.2.4电机控制模块方案论证对于电机控制器的选择有以下两种方案。方案一：采用FPGA为系统电机控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步进电机运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：采用89C52作为系统控制的方案。单片机算术运算功能较强，软件编程灵活、自由度大，可利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、技术成熟和成本低等优点，在各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用89C52处理输入的数据并控制电机运动。综合上述两种方案，方案二较为简单，并且可以满足设计要求。2.2.5电机速度采集模块方案论证方案一：采用霍尔集成片。该器件的内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在电机上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。方案二：采用对射式光电传感器。其检测方式为：发射器和接受器相互对射安装，发射器的光直接对准接受器，当测物挡住光束时，传感器输出产生变化以指示被测物被检测到。通过脉冲计数，对速度进行测量。由于电机的收线轮直径较小，将传感器安在电机上容易产生测量误差，将传感器安在滑轮上可以减少收线引起的误差。方案三：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。以上三种方案都比较可行。尤其是霍尔元件，应用很广泛。方案一和方案二的精度都会有一定限制。要达到本设计的要求会给制作带来难度；鉴于此种情况应选择多圈电位器更好，远远满足本设计的精度要求。2.2.6寻迹部分方案论证探测板上黑线的大致原理是：光线照射到板面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接受到的反射光强弱判断是否偏离黑线。方案一：采用热探测器。由于温度变化是因为吸收热能辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系，即对红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界环境影响比较大。方案二：使用发光二极管和光敏三极管组合。这种方案的缺点在于其他环境的光源会对光敏二极管产生很大的干扰。方案三：使用红外反射式一体化传感器进行检测。通过对比，这次设计中由于是近距离探测，故采用方案三来完成数据采集。由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小。同时红外线系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。反射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定可靠。 2.2.7显示及键盘模块方案论证2.2.7.1 显示模块方案论证方案一：采用数码管显示，数码管具有低能耗，耐老化和精度比较高等优点，但数码管与单片机连接时，需要外接锁存器进行数据锁存，使用三极管进行驱动等，电路连接相对比较复杂。此外，数码管只能显示少数的几个字符，显示的内容较少，基本上无法显示汉字。方案二：采用LCD进行显示。液晶显示屏（LCD）具有功耗低，无辐射危险、平面直角显示以及影象稳定，可视面积大，画面效果好，既可显示图形，也可显示汉字，分辨率高，抗干扰能力强，显示内容多等特点此外，LED与单片机可直接相连，电路设计及连接简单。本设计不需要显示汉字，且考虑到成本问题，选择方案一。采用44键盘方式实现悬挂物体初始点坐标输入和控制命令输入。显示部分电路由MAX7219、数码管组成。采用6个LED管进行X轴坐标显示、Y轴坐标显示。2.2.7.2 键盘模块方案选择方案一：通过使用触摸屏，确定坐标点参数。触摸屏可以形象显示坐标点位置，工作稳定。但由于只需输入两个字节的坐标点参数，信息量比较少，且是以点阵的模式处理数据，需要利用控制芯片创建坐标点库，编程工作量大，其成本也偏高。方案二：使用通用可编程键盘。键盘编程容易，可实现对键盘的自动扫描，识别闭合键的键号，可以节省单片机处理键盘的时间，提高单片机的工作效率。根据以上论述，采用方案二，在系统中使用4*4键盘。2.2.8控制方式论证方案一：采用开环控制。这种方案的缺点在于不能及时得到被控物体的准确坐标，无法精确地完成系统要求运动。方案二：采用闭环控制。这种系统能够完整地反馈被控物体的坐标及执行机构运行状况，使控制器对其有较完善地控制。受外界干扰也能迅速矫正。根据系统要求，通过对比。方案二能准确地完成题目指标，选择方案二。第三章 硬件电路设计3.1硬件系统整体结构简介根据系统设计要求，以及对系统整体乃至各个部分的方案论证得到：本系统是以单片机作为主控制器，通过控制两台直流电动机的运动，从而实现对被控物体运动轨迹的控制。由寻迹部分来检测被控物体运动轨迹的偏差，反馈给主控制器。再由单片机经过运算，发出调整控制指令。设计采用7805和7812分别作为两个直流电源的稳压芯片；以L298N驱动芯片驱动直流电机带动物体转动；用两个多圈电位器来实现电机速度采集。寻迹模块采用4个反射式光电传感器进行探测。显示模块采用了7219芯片来驱动六个LED八位数码管来显示物块所在的X坐标和Y坐标。键盘模块采用了4*4键盘。系统总体框图如图3.1所示控制器LED显示44键盘电机A电机B寻迹部分执行机构电机驱动电源（12V）单片机的供电电源（5V）速度采集模块电机驱动模块图3.1系统整体框图寻找黑线策略，采用模糊寻找的方式，首先物体从坐标（0，8）运行到坐标（80，8），检测这之间有无黑线，如无，则从坐标（80，16）运行到坐标（0，16），再检测这之间有无黑线，如有，则从坐标（0，12）运行到（80，12），检测，如果没有检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，14）运行到（80，14）；如果检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，10）运行到（80，10），当检测到黑线时就停下，此处将是黑线起点；如果没有检测到黑线则返回从（80，12）运行到（0，12）检测到的黑线即为黑线起点。以同样的运行检测方式即可寻找出黑线的起点。在连续段寻迹时，通过判断四个传感器的16种组合状态，使电机作出相应的伸缩动作。当轨迹为间断线时，电机拉动传感器在大角度方向内位移，直到在某一方向检测到新的黑线为止。然后再调用连续段的寻迹程序。系统硬件电路连接及资源分配如图3.2所示。L4L14*4键盘C4C1CSA/D转换CLKDO&DI光电检测模块（4个光电传感器）P0.0P0.3 P2.5 P2.4P0.4P0.7 P2.3P2.0 P2.1 AT89C52P2.2P1.0P1.2P1.6P1.7P2.6P2.7 P1.3P1.5LOADDIN 显示模块CLK电机1电机驱动模块电机2图3.2 系统硬件电路连接及资源分配3.2电源部分电路设计3.2.1 7805芯片介绍H7805系列为3端正稳压电路,TO-220封装能提供多种固定的输出电压应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路但使用外接元件可获得不同的电压和电流。主要特点：1输出电流可达1A2输出电压有5V3过热保护4短路保护5输出晶体管SOA保护极限值：VI输入电压(VO=518V)35VRJC热阻（结到壳）5/WRJA热阻（结到空气）65/W TOPR工作结温范围 0125TSTG贮存温度范围 -65153.2.2 电源部分电路本系统中采用双电源供电。将电机电源（12V）和单片机的供电电源（5V）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。由于使用了直流12V电机，其额定工作电压为12V，而单片机额定工作电压为5V，所以电路中采用了7805和7812作为稳压模块，其最大输出电流为1.5A，满足系统电机驱动电流的要求，其电路如图3.3所示。图3.3 电源部分电路3.3电机控制模块设计3.3.1 L298N芯片介绍L298N 是专用驱动集成电路，属于H 桥集成电路，与L293D 的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制直流电机，并可以实现电机正转与反转。本模块具有体积小，控制方便的特点。使用说明：EN1 与EN2 为高电平时有效，这里的电平指的是TTL 电平。EN1 为IN1 和IN2 的使能端，EN2为IN3 和IN4 的使能端。POWER 接直流电源，注意正负，电源正端为VCC，电源地为GND。步进电机控制逻辑如下所示，其中A、B、C、D 为步进电机的四个线圈，为1 表示有电流通过，为0 表示没有电流流过。各点状态如表3.1所示，线圈连线图如图3.4所示（以四相步进电机为例）。表3.1 管脚状态图3.4 线圈连线图3.3.2 电机驱动模块设计物体运动的轨迹由电机的转速和转向决定，电机的转速和转向的控制是通过多圈电位器对滑轮所转的圈速进行检测，同时通过另一个计数器对时间进行测量，结合两个计数器的值，由单片机计算出电机的速度，而物体运动的轨迹的里程由滑轮的周长和所转的圈数来计算。本系统由单片机直接产生PWM信号，当单片机接受到相应的检测信号时，单片机转到中断口处理信息，PWM信号处于停发状态。将单片机产生的PWM信号经光电隔离器耦合后，控制L298驱动芯片来控制电动机的正反转、启动、制动。原理图如3.5所示。单片机将P1.2、P1.5作为输出控制使能端,P1.0、P1.1作为电机一的控制端,P1.3、P1.4作为电机二的控制端。L298的两个控制端（C、D）的工作情况由表3.2列出（Ven为使能端）。表3.2 L298N控制表输入功能Ven=HC=H;D=L正转C=L;D=H反转C=D制动Ven=LC=D=停止图3.5 电机驱动电路3.4电机速度采集设计3.4.1 ADC0832介绍ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。ADC0832主要特点：1、8位分辨率；2、双通道A/D转换3、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；4、5V电源供电时输入电压在05V之间；5、工作频率为250KHZ，转换时间为32S；6、一般功耗仅为15mW；7、8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；8、商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C； 3.4.2电机速度采集电路在方案论证中已经确定本设计电机速度采集是通过多圈电位器检测转速来得到电机的速度。如图3.6所示，速度采集系统中使用多圈电位器即图中W1、W2进行检测，然后通过ADC0832进行转换。ADC0832是一个8位双通道A/D转换器件。选用的多圈电位器为10圈、47K，动滑轮直径为5cm，则旋转一圈的线长为：由ADC0832的分辨率得出，采集到最小线位移为：当电机开始运行时，拖动滑轮转动，多圈电位器和滑轮同步转动，从而改变多圈电位器的输出电压，A/D转换器将多圈电位器的输出电压转换成数字信号送给单片机处理，从而实现对滑轮运转情况精确采集。 图3.6 电机速度采集系统3.5 寻迹部分电路设计3.5.1寻轨迹控制策略根据题目的要求，悬挂物沿曲线运动的轨迹分为两段，连续段和间断段。可采用4个光电一体化传感器TCRT5000作为检测元件，其放置方式如图3.7所示。1423图3.7 4个光电传感器放置方式寻找黑线策略，采用模糊寻找的方式，首先物体从坐标（0，8）运行到坐标（80，8），检测这之间有无黑线，如无，则从坐标（80，16）运行到坐标（0，16），再检测这之间有无黑线，如有，则从坐标（0，12）运行到（80，12），检测，如果没有检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，14）运行到（80，14）；如果检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，10）运行到（80，10），当检测到黑线时就停下，此处将是黑线起点；如果没有检测到黑线则返回从（80，12）运行到（0，12）检测到的黑线即为黑线起点。以同样的运行检测方式即可寻找出黑线的起点。在连续段寻迹时，通过判断四个传感器的16种组合状态，使电机作出相应的伸缩动作。当轨迹为间断线时，电机拉动传感器在大角度方向内位移，直到在某一方向检测到新的黑线为止。然后再调用连续段的寻迹程序。3.5.2 寻迹模块电路根据设计任务，悬挂物体要沿着黑线运行，采用反射式光电传感器进行探测。发射部分采用红外发射管，实现检测系统信号的输出。接收部分的光敏二极管在不同的的光照强度下，电阻值会大幅改变。本设计中，我们把电路参数设置为只对黑色敏感。当检测不到黑线时，发射管发出的红外光经板面反射后被接收管接收，接收管导通，斯密特管输出低电平，当检测到黑线时，发射管发出的红外光不能被反射，斯密特管输出高电平，单片机通过检测I/O口的高低电平来判断电机的运动方向。由于是采用四个方向的同时检测，故单片机的判断能力就明显提高，缩短了检测判断时间，同时也增强了纠错能力。光电传感器的硬件设计如图3.8所示。电压比较器LM393的同相输入in拉低，输出为低电平。当检测到黑线时，接收管截止，同相输入in为高，比较器输出为高电平。本系统中四个传感器的OUT分别连接P1.6、P1.7、P2.6、P2.7。图3.8 寻迹电路3.6显示模块设计3.6.1 MAX7219介绍MAX7219芯片是美国MAXIM公司出品的新型紧凑型、可编程共阴极显示驱动器,可以用来把微处理机接口连接到多达八位数字的七段数字LED显示器,与传统的驱动LED相比,节省了很多芯片资源。片内包含有一个BCD码到B码译码器,多路复用扫描电路,段和数字驱动器及存储每个数字的8X8固态RAM;而且只需一个外部电阻来设置所有LED的段电流,从而降低了系统成本并减少了电路板空间的要求。MAX7219引脚说明DIN 串行数据输入线DIG07 8位数字驱动线,它从显示器吸入电流LOAD 装载数据输入线CLK 时钟输入端SEGAG、DP 7段驱动器和小数点线,它供给显示器源电流ISET 通过电阻接到V+以建立峰值段电流DOUT 串行数据输出线3.6.2 显示模块电路显示部分电路由MAX7219、数码管组成。采用6个LED管进行X轴坐标显示、Y轴坐标显示。单片机P2.5接1管脚（DIN），在时钟信号上升沿时输入串行数据；P2.3接13管脚(CLK)，控制时钟序列，上升沿时数据移入内部寄存器；P2.4接12管脚(LOAD)，连续数据的后16位在LOAD端上升沿时被锁定。使用MAX7219对LED数码管进行驱动。其电路图如3.9所示。图3.9显示部分电路3.7键盘模块电路设计根据设计需求，本系统中使用了标准的4*4键盘，其电路原理图如图3.10所示。图中C1C4为4*4键盘的列信号，L1L4为4*4键盘的行信号。在本系统中，用P0.0P0.3连接键盘的列信号C4C1；用P0.4P0.7连接键盘的行信号L4L1。在本系统中，S1S3、S5S7、S9S11、S13为数字键， S4、S8、S12、S14S16为功能键，S2、S5、S7、S10为双功能键。主要功能如图3.11所示。图3.10 4*4键盘原理图123方式4 56 X789Y0设置启动确认图3.11 4*4键盘功能图设置键：手动对位或任意设定坐标点参数键，按下后用上、下、左、右键可进行手动对位控制，然后按确认键确认，如图3.12所示。图3.12设置键操作图图3.13 所示，表示了几种方式的操作。方式键：首先按下方式键，然后按数字键选择方式再确认，方式有以下几种：方式1：归位，让物体自行回到原点。方式2：作自行设定的运动。方式3：画圆，首先利用数字键设置圆半径进行确认后，再按启动键运行。方式4：定点运动，首先利用数字键设置一个坐标点的X、Y值进行确认后，再按启动键运行。方式5：寻迹，首先让物体运行在轨迹起点，按下启动键开始寻迹。图3.13 方式键操作图启动键：用于所选运行方式的开始运行控制键。确认键：用于设置、X 、Y、方式输入值的确定。3.8 主控制器模块设计3.8.1 AT89C52介绍AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。 AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。主要特点：兼容MCS51指令系统8k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0口P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的。方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表3.2。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。表3.3 P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）P2口P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。AT89C52封装如图3.14所示图3.14 AT89C52 3.8.2 单片机最小系统单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，51单片机最小系