毕业设计（论文）-基于单片机的悬挂运动控制系统.doc

湖北理工学院 毕业设计（论文）基于单片机的悬挂运动控制系统摘要在现代的日常生产、生活中，基于单片机的悬挂运动控制系统的广泛应用得到普及，涉及到了工厂生产线、航空航天和医疗设备等系统中。基于单片机的悬挂运动控制系统的重中之重就是悬挂部件的运动精确性，它在各个系统中起到决定性的作用。但是在实际的生产生活中提高基于单片机的悬挂运动控制系统的精确性具有相当大的难度。虽然凭借不断改变悬挂部件的绳索长度来控制悬挂部件的运动轨迹的基于单片机的悬挂运动控制系统，在日常生产生活中的各个领域应用十分广泛。但是由于精确性的严重缺陷，在很多方面基于单片机的悬挂运动控制系统的实用受到严重制约。基于单片机的悬挂运动控制系统本质上是一电机控制系统，通过电机控制物体在80cm*100cm的范围内作直线、圆、寻迹和任意指定曲线等运动，并且能够在运动的时候显示运动物体的位置坐标。本设计采用AT89C52单片机作为核心控制器来实现对物体运动轨迹的自动控制，并且通过多圈电位器来实现对物体位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节反馈给单片机对误差进行修正，从而达到对物体的控制和对坐标点的准确定位。系统采用脉冲宽度调制技术来控制电机驱动L298N，来实现对电机的转速、转向、启停等多种运行状态进行准确的控制。系统采用红外光电传感器来实时检测电机的速度和画板上的黑色曲线轨迹，从而通过反馈给单片机来来控制物体沿着曲线运动。关键词：单片机;运动轨迹；多圈电位器；脉宽调制；红外反射光电传感器；电机Design of Control System of Suspension Movement Track Based on MCUAbstractIn the modern daily life and production, wide application of suspension motion control system based on MCU gained popularity,which related to the factory production line, aerospace and medical equipment system.Priority among priorities of suspension motion control system based on MCU is the movement accuracy of the suspension parts, which plays a decisive role in the various systems.But in the actual production and life ,to improve the accuracy of suspension motion control system based on MCU has considerable difficulty.Although the suspension motion control system based on SCM with the changing trajectory of the suspension components to control the length of the rope suspension components, which in all areas of application in daily life is very extensive. because of the serious defects of accuracy, practical suspension motion control system based on MCU have restricted in many aspects.Suspension motioncontrolis essentially amotor control system based onthe object,which through the motor controlin the range of 80cm*100cmfor a straight line,round,tracing andarbitrarycurve,and it can display theposition coordinatesof the moving objects in the movement time.The design uses AT89C52 microcontroller as thecore controllerto realize theautomatic control of thetrajectory of moving objects,and through themulti turn potentiometerto achieve accurate measurementofthe position of the object,and it introduces local closed-loopfeedback control linkfeedbackto the microcontrollerforerror correction,so as to achieveaccurate positioningcontrol of the objectand thecoordinate point.The systemadoptsthe technology of pulse width modulationto control the motordriveL298N ,in order to achievethe speed of motor,steering,start and stop theaccurate controlofthe running state.The blackcurvesystem usesinfrared photoelectric sensorto detectthe speed of the motorandthe drawing board and through thefeedback to the microcontrollerso as tocontrol themovement ofobjectsalong a curve.KEY WORDS:singlechip;Sport trajectory；Loopy potentiometer；PWM；Infrared photosensor；DC Motor1目 录1 绪论11.1论文选题背景及研究意义11.2国内外研究现状21.3论文研究的主要内容32 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62.2.2电机选择论证62.2.3驱动及调速方案论证72.2.4电机速度采集模块方案论证72.2.5寻迹部分方案论证82.2.6显示及键盘模块方案论证82.2.7控制方式论证93 硬件电路设计103.1硬件系统整体结构简介103.2电源部分电路设计123.2.1 7805芯片介绍123.2.2 电源部分电路133.3电机控制模块设计133.3.1 L298N芯片介绍133.3.2 电机驱动模块设计143.4电机速度采集设计143.4.1 ADC0832介绍163.4.2电机速度采集电路163.5 寻迹部分电路设计173.5.1寻轨迹控制策略173.5.2 寻迹模块电路183.6显示模块设计193.6.1 MAX7219介绍193.6.2 显示模块电路193.7键盘模块电路设计203.8 主控制器模块设计223.8.1 AT89C52介绍223.8.2 单片机最小系统264 软件部分设计284.1 理论分析与计算284.1.1 位移/数据转换方法284.1.2 点到点运动核心算法284.1.3误差补偿294.1.4 画圆数学模型304.2 程序流程图304.2.1主流程图304.2.2定点运动子程序314.2.3 画圆子程序324.2.4寻迹子程序335 总结35致 谢36参考文献37附录：系统电路原理图381 绪论1.1论文选题背景及研究意义悬挂运动控制技术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。悬挂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至今，运动控制器已经开始在国内外多个行业应用，尤其是在微电子行业的应用。而刚开始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。在现代的日常生产、生活中，基于单片机的悬挂运动控制系统的广泛应用得到普及，涉及到了工厂生产线、航空航天和医疗设备等系统中。基于单片机的悬挂运动控制系统的重中之重就是悬挂部件的运动精确性，它在各个系统中起到决定性的作用。但是在实际的生产生活中提高基于单片机的悬挂运动控制系统的精确性具有相当大的难度。虽然凭借不断改变悬挂部件的绳索长度来控制悬挂部件的运动轨迹的基于单片机的悬挂运动控制系统，在日常生产生活中的各个领域应用十分广泛，但是由于精确性的严重缺陷，在很多方面基于单片机的悬挂运动控制系统的实用受到严重制约。采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统核心控制器，虽然FPGA具有可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好等优点，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。但是FPGA采用并行工作方式，系统的处理速度很高，常用于大规模实时性要求较高的系统。所以本系统设计中，FPGA的高速处理能力得不到充分发挥。故在本次设计中，是以单片机作为控制核心器件。在本系统设计的基础上还可拓展成基于三线悬挂结构的运动控制装置。三线悬挂是指，将三根线系于一点并悬挂重物，并且三根缆线分别挂在三个固定滑轮上，由电机驱动的三个绕线电机分别控制其长度，进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有异曲同工之妙。本设计的研究意义在于，悬挂运动控制系统广泛应用于工业控制、车辆运动、航空航天和医疗设备等系统中，有巨大的实际应用价值。另外，面对日益能源紧张的现状，研究本设计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、高效地利用电能资源。1.2国内外研究现状十九世纪八十年代以前，在悬挂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），所以开始逐步使用交流电气传动；二十世纪三十年代起，产生成了直流调速，交流不调速的格局；二十世纪后期，交流调速逐步兴起，悬挂运动控制系统进入了一个全新的时代。现在的自动化控制系统中的主导的核心控制器是建立于网络平台的嵌入式结构和开放式结构的通用运动控制器。运动控制技术的标准是高速度、高精度，对于繁杂的高速实时多轴插、补误差补偿、运动轨迹规划和更加复杂的运动学、动力学计算，可以借助数字信号处理器和现场可编程门阵列技术进行处理，从而系统能够更加开放，进而能够参照不同用户的不同应用需求进行客制化重组，不仅满住了客户的需要，而且大大节省了时间和成本，提高了工作效率。目前运动控制器从结构上大致分为三大类：（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，它不仅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，而且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，这类运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中，能够独立运行。国外发展现状：悬挂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。由于有强劲市场需求的推动，悬挂运动控制技术发展飞速并且应用极为广泛。国内发展现状：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。我国的自动控制技术还亟待发展。1.3论文研究的主要内容本文设计的悬挂运动控制系统是一种电机控制系统, 集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术和单片机技术等。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显示屏等部分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，把物块的位移量折算成多圈电位器转动圈数，通过单片机逻辑运算确定物块位移位置进而控制电机拖动物块运动。对于圆周运动，采用微分曲线直线逼近法的方法来实现。这种算法首先运算出圆周上各点，再调用定点运动子程序进行执行。论文详尽论述了悬挂运动控制系统的各个模块方案选择及设计、硬件电路的设计及运动轨迹的控制算法的论证与选择。通过建立所需运动轨迹曲线的参数方程，简化运动控制模型，进而按照算法对两组驱动步进电机进行控制，最终实现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，并且完成了通过人机界面对物体所作运动进行设定，再通过液晶显示屏实时显示画笔所在的坐标值等发挥要求。 2 方案论证2.1 系统设计要求设计一个悬挂运动控制系统，控制物体在倾斜的板上运动（仰角100度）。在一个贴着白纸的底板上固定两个滑轮，两个电机（固定在板的下方两端）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围大致为80cm*100cm，物体形状不限。物体上必须固定有浅色的画笔，以便物体运动时能在板上留下运动轨迹。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（也可自己设定），示意如图2.1所示：图2.1 实物示意图基本要求：（1）悬挂运动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）悬挂运动控制系统能够控制物体在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；（3）悬挂运动控制系统能够控制物体作圆心（可任意设定）、直径为50cm的圆周运动；（4）悬挂运动控制系统能够控制物体从左下角坐标原点出发，在限定时间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）悬挂运动控制系统能够显示物体中画笔所在位置的坐标；（2）悬挂运动控制系统能够控制物体沿板上标出的任意曲线运动，曲线需在测试时现场标出，线宽1.5cm-1.8cm，总长度大概为50cm，颜色为黑色，曲线的前一段是连续的，长约30cm，后一段是两段不连续的，总长约20cm，间隔距离不大于1cm，所有控制运动需要在限定时间内完成。2.2 系统方案论证方案一：采用FPGA为核心控制器，FPGA的最大特点是灵活，可以实现任意数字电路，FPGA运行速度很快，可以把外部时钟频率和核心频率达到几百兆，FPGA的管脚较多，容易实现大规模系统实现，FPGA内部程序并行运行，能够处理很复杂的逻辑运算，此外，FPGA有大量软核，可以方便进行二次开发。但是FPGA价格昂贵且难以熟练掌握。方案二：采用DSP（数字信号处理器）作为系统的控制器，DSP采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，是程序和数据分别存放在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠，这大大提高了运行速度。DSP的强大数据处理能力和高运行速度是它的两个最大特色，但是价格昂贵，不利于该系统的使用。方案三：采用单片机作为该系统的控制核心,单片机又称微型单片机，它最早被应用于工业领域，它是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、时钟、定时器/计数器。单片机经济实惠，成本相对较低，并且单片机结构简单，容易理解掌握工作原理，进而编程简单易懂，适合学生设计使用。根据以上分析及实际考虑，故选择方案三。系统总体框图如图2.2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：所有元器件都采用统一电源。这样供电虽然比较简单方便，但是由于电动机启动瞬间电流较大，并且给定脉冲信号驱动的电机电流波动比较大，会行成电压不稳、有毛刺等干扰，可能对单片机系统造成严重的干扰，缺点十分明显。方案二：采用双电源供电。将步进电机驱动电源（12V）和单片机的供电电源（5V）分开使用，这样设计可以彻底避免电机驱动所造成的电流波动的干扰，提高了系统运行的稳定性。基于上述考虑，故选择方案二。2.2.2电机方案选择论证方案一：采用直流电机控制绳子的长度。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、噪音低等方面。方案二：采用步进电机控制绳子的长度。步进电机具有控制方法简单、定位精确、无积累误差等特点。基于上述比较，考虑到悬挂运动控系统对精度的要求，故这里我们采用方案二。2.2.3驱动及调速方案论证方案一：采用DSP芯片控制，配以电机控制所需要的外围驱动电路，通过数控电压源调节电机的运行速度，进而实现控制物体的运动轨迹。该方案优点是驱动电路体积小、结构紧凑、使用方便、可靠性较高。但驱动系统软硬件复杂、成本较高。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L298N驱动芯片。使用用单片机输出PWM信号进而控制L298N使之工作在占空比可调的开关状态，通过程序调节脉冲占空比精确调整电机转速以及运行时间。这种电路工作在管子的饱和截止模式下，工作效率非常高，L298N保证了简单实现转速和方向的控制，电子开关的速度很快，稳定性也很强，是一种广泛采用的电机驱动技术。方案三：采用继电器对电机的开关状态进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行控制。这个方案的优点是电路较简单，实现容易；缺点是继电器的响应速度很慢、机械结构易损坏、寿命较短。根据上述理论分析和实际情况，故定选择方案二。2.2.4电机速度采集模块方案论证方案一：采用霍尔传感器集成片。该元器件的内部由三片霍尔金属板构成，当磁铁对着金属板时，由于霍尔效应，金属板会发生横向导通，因此可以在电机上安装磁片，并将霍尔传感器集成片固定在固定轴上，通过对集成片产生的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进行电机速度检测。其检测方法为：发射器和接受器相互对射安装，发射器的光直接面对面对准接受器，当测物遮挡住光束时，传感器输出会产生变化以指示被测物被检测到。通过单片机对脉冲的计数，对速度进行测量。由于电机的收线轮直径比较小，将传感器安在电机上很容易产生测量误差，故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来测量电机运转速度。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进而实现电机速度的检测。以上三种方案都可行。尤其是霍尔元件，应用很广泛。但是方案一和方案二的精度都会有一定限制，要达到本系统设计的要求会给制作带来很大难度。鉴于此种情况，故应选择方案三多圈电位器更好，远远满足本设计的精度要求。2.2.5寻迹部分方案论证方案一：采用红外反射传感器探测，这种方法是用已调的红外线垂直射到板面，经红外线反射后转换为电平信号送入单片机处理。这种寻迹方法虽然简单实用，并且成本低廉，在很多的寻迹场合都有使用，但是由于该系统寻迹距离较近，再加上摆放红外反射传感器时不能严格校准和固定，在进行调试时会对系统造成严重的干扰。 方案二：使用发光二极管和光敏三极管组合来探测黑线。这种方案的缺点在于周围环境的光源会对光敏二极管产生很大的干扰。方案三：采用红外反射式一体化传感器进行检测。该传感器工作稳定，操作简单，便于使用。此外，由于红外光波长比可见光长，因此受周围可见光的影响较小。同时红外反射式一体化传感器还具有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。根据以上分析，这次设计中由于是近距离探测，故采用方案三来完成黑线采集。 2.2.6显示及键盘模块方案论证2.2.6.1 显示模块方案论证方案一：采用数码管显示。虽然数码管显示电路连接比较复杂并且需要另加锁存器对数码管显示的数据进行锁存，甚至还需要一些驱动等外围器件，但是数码管编程简单易懂，并且具有较低的功耗，耐老化和精度高等优点。此外，数码管仅能显示少数的几个字符，显示的内容很少，基本上不可能显示汉字。方案二：采用LCD显示器件。液晶显示屏（LCD）具有低功耗，辐射小、平面直角显示、影象稳定，可视面积较大，画面效果较好，并且既可显示图形，也可显示汉字，分辨率较高，抗干扰能力很强，显示内容多等优点。此外，LCD与单片机能够直接相连，电路设计及连接简单。该设计不需要显示汉字，且考虑到成本问题，故选择方案一。2.2.6.2 键盘模块方案选择方案一：使用无线遥控键盘进行人机交互。无线遥控键盘操作简单，人机交互时能够在一定范围内易懂，不局限于系统硬件本身所在，比较人性化。但是考虑到本系统采用的单片机的内存需求和运算能力，以及系统本身对算法的要求较高，运算量大，若采用无线遥控键盘将是单片机的一大负担，甚至运行过程出现程序“跑飞”等不正常现象。此外成本较高，不值得采用。方案二：采用4*4按键组成的键盘。这种键盘成本低廉，电路简单，键位很多足够系统使用，只需编写扫面程序就可使用，这样能够为单片机对于运动轨迹的运算腾出大量空间和时间，大大提高单片机的运行效率。根据以上论述，故采用方案二，在系统中使用4*4键盘。2.2.7控制方式论证方案一：采用开环控制方式。这种方案的缺点在于不能实时得到被控物体的准确坐标和信息，无法准确地完成系统要求的运动，并且不能及时调整物体的运动。方案二：采用闭环控制方式。这种方案能够实时地反馈被控物体的坐标及执行机构运行状况，使单片机对其有较准确地控制。受外界干扰也能迅速得到矫正。根据系统要求，方案二能准确地完成题目要求，故选择方案二。3 硬件电路设计3.1系统硬件整体结构简介根据系统设计的要求以及对系统整体要求乃至各个部分的方案论证得到：本设计是以单片机作为核心控制器，通过驱动控制两台步进电动机的运转，进而实现对被控物体运动轨迹的控制。由寻迹模块来检测被控物体的运动轨迹于板上的偏差，反馈到单片机控制器。由单片机经过逻辑运算，从而发出调整控指令。本设计电源模块采用7805和7812分别作为两个直流电源的稳压芯片，以L298N驱动芯片驱动步进电机工作带动物体转动，用两个多圈电位器来实现电机速度采集，寻迹部分采用4个反射式光电传感器进行探测，显示部分采用7219芯片来驱动六个LED八位数码管进而来显示物块所在的X坐标和Y坐标，键盘模块采用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的方法，采用模糊寻找的方法，首先物体从（0，8）坐标点运行到（80，8）坐标点，检测这之间有无黑线。若没有，则从（80，16）坐标点运行到（0，16）坐标点，再检测这之间有无黑线。若有，则从（0，12）坐标点运行到（80，12）坐标点，再检测，如果没有检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，14）坐标点运行到（80，14）坐标点。若检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，10）坐标点运行到（80，10）坐标点，直到当检测到黑线时，停下，此处作为是黑线起点。如果没有检测到黑线则返回从（80，12）坐标点运行到（0，12）坐标点检测到的黑线作为黑线起点。以同样的运行检测方法即可找出黑线的起点。在连续段寻迹时，单片机通过识别四个传感器的16种组合状态，使电机作出相应的正反转动作。当轨迹为间断线时，电机带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的时候停止。然后再调用连续段的寻迹程序重复检测。 AT89C52的P0口与4*4键盘相连，P2.0、P2.1、P2.2控制A/Dz转换，P2.3、P2.4、P2.5控制显示模块4个光电传感器与P1.6、P1.7、P2.6、P2.7相连，两个电机的驱动分别由P1.0、P1.1、1.2和P1.3、P1.4、1.5控制。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芯片系列为3端正稳压集成电路,TO-220封装能够提供多种固定的输出电压，三端分别是输入端、接地端、和输出端，应用范围广。集成电路内部不仅含有过流、过热保护电路，而且还有调整管保护电路以及过载保护电路，使用时可靠方便，并且价格低廉。最大输出电流可达到1A，但是必须另加散热片。主要特点：1带散热片的输出电流可达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/WTOPR工作结温范围 0125RJA热阻（结到空气）65/W TSTG贮存温度范围 -65153.2.2 电源部分电路本设计中采用双电源供电。将电机供电电源（12V）和单片机的供电电源（5V）完全隔开，可以彻底消除驱动电机时所造成的干扰，提高了系统的稳定性。由于使用了12V电机，其额定工作电压为12V，而单片机额定工作电压为5V，所以供电电路中采用了7805和7812作为稳压模块，其最大输出电流为1.5A，完全满足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 是专用电机驱动集成电路，属于H 桥集成电路，与L293D 相比其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，而且可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，尤其是其输入端可以与单片机直接相连，从而方便了单片机对电机的控制。当驱动步进电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转。此外，本模块还具有体积小，控制方便的特点。L298N 使用说明：EN1 与EN2使能为高电平时有效，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 接直流供电电源，特别要注意正负，电源正端为VCC，电源地为GND。步进电机控制逻辑电平如下所示，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的运动轨迹由电机的转速和转向决定，对于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，同时单片机通过另一个计数器对时间进行计时，结合两个计数器的值，由单片机经过逻辑运算算出电机的速度，而物体运动轨迹的里程由滑轮的周长和所转的圈数来算出。本设计由单片机内部直接产生PWM信号，当单片机接受到相应的信号时，单片机转到中断处理信息，PWM信号停发。将单片机内部产生的PWM信号经光电隔离器耦合后，通过控制L298驱动芯片来进而控制电动机的正反转、启动、制动。原理图如3.5所示。单片机控制IO口将P1.2、P1.5作为输出控制使能端,P1.0、P1.1设为为电机一的控制端,P1.3、P1.4设为电机二的控制端。L298的两个控制端（C、D）的工作状态由表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电机速度采集模块设计3.4.1 ADC0832介绍ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，是美国国家半导体公司生产的芯片。ADC0832的最高分辨率能够达到256级，可以适应一般的模拟量转换要求。在ADC0832内部参考电压和电源输入复用，使得芯片的模拟电压输入在05v之间，ADC0832转换时间仅为32us，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其目前已经有很高的市场应用普及率。3.4.2电机速度采集电路在上述方案论证中已经确定本系统电机速度采集采用通过多圈电位器检测转速来得到电机的运转速度。如图3.6所示，速度采集模块中使用多圈电位器即图中W1、W2来检测，然后通过ADC0832进行信号转换。ADC0832是一个8位双通道A/D转换器。所选用的多圈电位器为10圈、47K，直径为5cm的动滑轮，则旋转一圈的周长为：由ADC0832的分辨率得出，采集到的最小线位移为：当电机开始运转时，拖动滑轮转动，多圈电位器和滑轮将同步转动，进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模拟信号转换成数字信号传送给单片机处理，从而实现对滑轮运转状态精确采集。 图3.6 电机速度采集系统3.5 寻迹部分电路设计3.5.1寻轨迹控制方法根据系统设计的要求，悬挂的重物沿曲线运动的轨迹分为两种，连续段和间断段。采用4个光电一体化传感器TCRT5000作为探测元件，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的方法，采用模糊寻找的方法，首先物体从（0，8）坐标点运行到（80，8）坐标点，检测这之间有无黑线。若没有，则从（80，16）坐标点运行到（0，16）坐标点，再检测这之间有无黑线。若有，则从（0，12）坐标点运行到（80，12）坐标点，再检测，如果没有检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，14）坐标点运行到（80，14）坐标点。若检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，10）坐标点运行到（80，10）坐标点，直到当检测到黑线时，停下，此处作为是黑线起点。如果没有检测到黑线则返回从（80，12）坐标点运行到（0，12）坐标点检测到的黑线作为黑线起点。以同样的运行检测方法即可找出黑线的起点。在连续段寻迹时，单片机通过识别四个传感器的16种组合状态，使电机作出相应的正反转动作。当轨迹为间断线时，电机带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的时候停止。然后再调用连续段的寻迹程序重复检测。3.5.2 寻迹模块电路根据系统设计任务，悬挂物体要沿着指定黑线运行，采用反射式光电传感器进行检测。发射部分采用红外发射管，实现检测信号的输出。接收部分的光敏二极管在不同的光照强度下，电阻值会明显改变。本系统设计中，我们要把电路参数设置为仅仅对黑色敏感。当检测不到黑线时，发射管发出的红外线经板反射后能被被接收管接收，则接收管导通，斯密特管输出低电平信号；当检测到黑线时，发射管发出的红外线被黑线吸收不能被反射，斯密特管输出高电平信号，单片机通过检测接受到的I/O口的高低电平来控制电机的运转方向。因为是采用四个方向的同时检测，所以单片机的判断能力明显提高，大大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。当探测到黑线时，接收管截止，同相输入in为高，比较器输出为高电平。该模块中四个传感器的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是由美国MAXIM公司出品的新型紧凑型、可编程共阴极显示数码管驱动器,可以用来把微处理机接口连到多达八位数字的七段数字LED显示器上,与传统的数码管驱动相比,节省了芯片资源。片内含有一个BCD码到B码译码器,多路复用扫描电路,段和数字驱动器以及存储每个数字的8X8固态RAM。而且仅仅需要一个外部电阻来设置所有LED的段电流,从而大大减少了系统的成本并节省了电路板空间。MAX7219引脚说明DIN 串行数据输入端DIG07 8位LED为选线，从共阴极LED中吸入电流LOAD 装载数据输入端CLK 串行时钟输入端SEGAG、DP 7段驱动器和小数点驱动,供给显示器源电流ISET 通过一个10K电阻和Vcc相连，设置段电流DOUT 串行数据输出端3.6.2 显示模块电路显示模块电路由MAX7219、数码管组成。采用6个LED管进行X轴和Y轴坐标显示。单片机的P2.5接1管脚（DIN），在时钟信号上升沿时输入串行数据；P2.3口接13管脚(CLK)，控制时钟序列，上升沿时数据送入内部寄存器；P2.4口接12管脚(LOAD)，后16位的连续数据在LOAD端上升沿时被锁定。采用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系统设计要求，本设计中使用了标准的4*4键盘，其电路原理如图3.10所示。图中C1C4设为4*4键盘的列信号，L1L4设为4*4键盘的行信号。在本设计中，用P0.0P0.3与键盘的列信号C4C1一一对应相连；用P0.4P0.7于键盘的行信号L4L1一一对应相连。在本系统设计中，S1S3、S5S7、S9S11、S13设为数字键， S4、S8、S12、S14S16设为功能键，S2、S5、S7、S10设为双功能键。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：手动矫正位置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，然后按确认键确认该状态，如图3.12所示。图3.12设置键操作图如图3.13 所示，表示了几种方式的操作。方式键：先按下方式键，接着按数字键选择方式再确认，方式有以下几种：方式1：归位，让重物回归到原点。方式2：重物按照实现准备好的轨迹运行。方式3：画圆，首先使用4*4键盘确定圆的圆心坐标和半径后，按下启动键。方式4：定点运动，先利用4*4键盘来设定一个坐标点的横坐标和纵坐标值，接着按下启动键。方式5：寻迹，悬挂物首先自行找到黑线的任一起点，接着按下启动就可让系统寻迹。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的控制键。确认键：用于确定设置、X 、Y、方式输入值。3.8 主控制器模块设计3.8.1 AT89C52介绍AT89C52是51系列单片机的其中一个型号，它是ATMEL公司生产的。 AT89C52是一款低电压，高性能CMOS 8位微机处理器，片内包含有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），采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产制造，兼容标准MCS-51指令系统，片内有通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机能够提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52共有40个引脚，包括32个外部双向输入/输出（I/O），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。它将Flash存储器和通用微处理器结合在一起，尤其是可反复擦写的Flash存储器，可以大大减少单片机的研发成本 主要特点：兼容MCS51指令系统8k字节在系统可编程Flash存储器1000次擦写周期 32个可编程双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程计数器/定时器 全双工UART串行通道 2个读写中断口线 3级加密位 3个加密程序存储器 共8个中断源 时钟频率0-24MHz 可编程UART串行通道 软件设置睡眠和唤醒功能主要管脚介绍：P0口P0口是一组8位并行I/O口，为三态双相口，具有8个LSTTL门电路的负载能力。P0口的每一位都是由输入缓冲器、锁存器和输出驱动器组成，这样就能够锁存输出信息，但不能锁存输入信息。因此所有从单片机外部器件输入的信息必须能够持续到单片机内部取数指令执行才可以被单片机读取到。P0口不仅可以作为通用的8位I/O而且当需要对外部存储器进行扩展是，还能够作为分时复用的低8位地址/数据总线。P0作为输出口用时，由于输出端处于开漏状态，所以P0口必须在每一位外加上拉电阻。P0口作为输入口时，必须使的VF1截止。单片机对P0的操作除了输入输出外，还能对P0口进行“读修改写”操作读的是P0口端口原来的输出信号，这样做是为了避免由于外部电路产生的干扰。P1口P1口是一组8位并行I/O口，P1口是一组准双向口，准双向口是指P1口用作输入时，P1口会被拉高，具备4个LSTTL门电路的负载能力，P1口的每一位都是由输入缓冲器、锁存器和输出驱动器组成，这样就能够锁存输出信息，但不能锁存输入信息。因此所有从单片机外部器件输入的信息必须能够持续到单片机内部取数指令执行才可以被单片机读取到。P1口是单片机唯一一个单功能口，只能用作通用的I/O口，与P0口不同的是，它的内部接有上拉电阻，故在搭建电路时可以省去外接电阻。需要注意的是，从P1口读入数据时，必须的先向端口写入1，才能读取数据。P2口P2口的通用I/O口工作方式与P1口相同，同时外部也不需接上拉电阻。此外，当系统需要在单片机外部扩展时，P2口可以作为地址总线的高8位，这样就能够和P0口的低8位地址总线合成16位的I/O地址。P3口单片机中使用最灵活、功能最多的一组8位并行I/O口就是P3口，P3口的通用的输入输出功能与P1口类似，此外，最重要的是P3口的第二功能。当P3口工作在第二功能时，锁存器的Q端会自动置1，P3口各引脚的第二功能如表3.3所示。表3.3 AT89C52P3口引脚的第二功能口线第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0请求信号输入P3.3INT1外部中断1请求信号输入P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通RST引脚RST引脚是复位信号的输入端口，高电平有效。若在单片机的时钟振荡器稳定工作的前提下，RST引脚的电平状态有低拉高切保持2个及其周期，则单片机复位。ALE/PROG单片机访问外部程序存储器或者外部数据存储器的时候需要一个地址锁存信号，这就需要ALE来提供，它能够将低8位的地址锁存在片外的地址锁存器内。正常情况下，ALE会一直提供一个正脉冲信号输出，脉冲的信号频率为时钟频率的1/6.，因此ALE可对外输出时钟或者用于定时的目的。但是特别注意的是：每当单片机访问外部RAM（也就是执行MOVX类指令）的时候，会丢失一个ALE脉冲信号。单片机对Flash 存储器编程的过程中，编程脉冲（PROG）可有ALE来提供。如果需要，可将特殊功能寄存器的第0位拉高，从而能够禁止ALE的工作。同时单片机在执行访问外部程序存储器或者外部数据存储器的指令是，ALE仍然还是有效的，即对外部存储器的访问不受ALE的禁止位的影响。PSEN端PSEN为片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。EA/VPP端EA是外部程序存储器访问允许控制端。EA拉高，若PC只不超出0FFFH，则单片机读片内程序存储器的程序；若PC值超