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悬挂运动控制系统（E）悬挂运动控制系统研制报告摘要：悬挂运动控制系统能够用两个电机来实现控制一个点做轨迹运动。系统能够通过键盘设定运动点的坐标参数，能够在限定的时间内画出自行设定的运动的轨迹，也可实现画圆形轨迹的运动。其系统是由单片机AT89S51实现中心控制的，通过单片机强大的逻辑计算能力实现两电机转速的控制，以达到运动点的正常运动，利用它端口资源的优势以实现键盘的控制和显示的输出，以达到人机交流。关键词：悬挂运动 步进电机 单片机目 录1. 系统设计1.1 设计要求设计一电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角100度）的板上运动。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800CM100CM。物体的形状不限，质量大于100克。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（颜色不同于画笔颜色）左下角为直角坐标原点。基本要求：1.控制系统能够通过键盘或者其他方式任意设定坐标点参数；2.控制物体在80CM100CM的范围内作自行设定的运动，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，限300秒内完成；3.控制物体作圆心可任意设定、直径为50CM的圆周运动，限300秒内完成；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）。1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路控制系统驱动电路电机 1电机 2输出显示键盘电路电源电路图1-1 系统基本组成方框图题目要求设计一个悬挂运动控制系统,能够用两个步进电机控制一点做轨迹运动。所以系统设计中必须有一个可以计算与控制的控制系统, 它可以计算出两个步进电机各自的转速方向和转速并且有一个可以驱动电机转动的驱动电路,以及人机交流的键盘输入和显示电路,供给系统能量的电源电路。其系统的基本组成方框图如图1-1所示。1.2.2 方案论证与比较1. 控制系统的设计方案的论证与选择方案一:采用单片机为控制中心的控制系统。单片机内部具有程序、数据存储器、定时器、四组I/O口以及具有逻辑算术功能，利用单片机强大的计算能力来计算出电机的转数与转动的方向，并输出信号给电机。利用单片机的I/O端口进行键盘电路的连接和显示电路的连接，以此接收和输出信息。方案二：采用数字电路与模拟电路结合的办法实现系统的控制。对于电机的控制同样只能使用脉宽不相同的脉冲来控制其转动，这只是实现了物体的运动，要使物体沿着圆周运动，关键就是对两个电机的同时控制有一定的难度，这个可以用计数器来控制它们的驱动脉冲个数；其次就是任意坐标的设置，对于坐标数值的保存还要用到触发器；再者就是物体运动的轨迹方程处理（用来控制两个电机转速和正反转）。整体电路是十分复杂的。方案三：采用PC机作为控制系统。PC机支持多种高级语言和丰富的图形界面功能。只要数据直接通过键盘输送给PC机，让PC机来精确控制悬挂物体的的运动轨迹，并且采用高级语言编程时，程序简单，容易实现。但对于系统来说价格较高。综上所述，采用方案一较为容易准确的实现系统的功能，又可以节约成本，所以系统的设计采用方案一。2驱动电机的选择方案一：采用直流电机作为执行元件。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足生产自动化系统各种不同的特殊运行要求。直流电机一般采用H型全桥驱动电路。用单片机产生PWM调速信号控制达林顿管，使之工作在占空比可调的开关状态，从而控制直流电机的转速。直流电机的工作状态可分为两种：开环状态和闭环状态。直流电机工作在开环状态时，电路相对简单，但其定位性能比较差。直流电机工作在闭环状态时，其定位性能精确，但是对于开环状态又要增加很多检测器件，使用的元件较多，电路非常复杂。方案二：采用步进电机作为执行元件。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角。因此，步进电机具有快速启动能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转科研工作值，就能立即使步进电机启动或反转，而且步进电机的转换精度高，驱动电路简单，非常适合定位控制系统。 基于以上分析，采用步进电机作为系统的传动装置。3电机型号选择由于题目对电机的带负载能力有一定的要求，所以必须对步进电机的型号特别是力矩进行有根据的选择。根据题目要求，两台电动机需要载重为100克的物体在80cm100cm的范围内运行。通过力学知识对该物体运动过程进行分析，可经发现以下几个问题： 两台电机的输出力矩的大小与物体所在的位置有关。 两台电机的最大输出力矩M与物体的质量m、重力加速度g、电动机转轴的半径r、系统的效率有以下关系：设定左下角的原坐标为（0，0），横向为x轴，纵向为y轴，则两台电机在物体处于坐标点B（40，100）时输出的力矩最大。由设计要求可计算出系统要求电机的最大力矩,因此设计中选用型号为17PU-HO12-G1UT的两相混合式步进电机,完全可以达到转矩的要求。4驱动电路的设计方案的论证与选择步进电机是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，即控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。关于步进电机的驱动有以下几种方案。方案一：采用三极管组成的步进电机驱动电路。如图1-1所示，由分立元件组成的驱动电路，原理比较简单，易于设计，但是得利用较多的时间。图1-1 步进电机驱动方框图单片机控制系统三极管电机驱动步进电机控制物体运动方案二：采用集成电机驱动芯片LA298。采用该方法实现电路驱动，简化了电路的复杂程度，控制比较简单，性能稳定，但成本较高。方案三：采用互补硅功率达林斯顿管TIP142T组成的驱动电路。其电路组成方框图如图1-2所示，采用该方法实现步进电机驱动，电路连接简单，工作相对比较可靠，成本低，技术成熟。此外，为提高电路的抗干扰能力，驱动电图1-2 达林斯顿管驱动方框图单片机控制器光耦元件隔离达林斯顿管驱动步进电机控制物体运动路与单片机接口可通过光耦元件连接。该方法的原理方框图如图1-2所示。5键盘电路的设计方案论证与选择方案一：采用独立式非编码键盘。这是一种查询方式的电路，各按键相互独立地接通一条输入数据线，要判别是否有键按下，用单片机的位处理指令十分方便。该键盘结构的优点是电路简单；缺点是当键数较多时，要占用较多的I/O线。方案二：采用行列矩阵键盘。这也是一种查询方式的电路，利用这种行列式结构只需N条行线和M条列线，即可组成具有NM个按键的键盘。该键盘结构的优点是利用较少的I/O口即可获得可应用的按键；缺点是电路较复杂些。综上所述，选择方案二可有效的I/O口资源实现电路的按键数目的要求，实现电路的功能。6输出显示电路的设计方案论证与选择方案一：采用LCD（液晶）显示。该方案具有低电压微功耗、平板型结构、显示的信息量大、无电磁辐射、使用寿命长等优点，但本系统要求显示的数据量小，不能发挥其显示内容丰富的优点，同时占有I/O口较多。方案二：采用数码管显示的串行输出方式。数码管且有亮度高、驱动电路简单，容易实现的特点，并且可以节省单片机的端口。方案三：采用数码管显示的并行输出方式。这种输出方式显示的亮度较高且比较清楚，没有动态的感觉 ，效果比较好。 综上所述，为了能够配合软件电路以及整体电路的设计要求，采用方案二较为适合于该系统的设计。7电源电路的设计方案论证与选择直流稳压电源是设备的能源电路,关系到整个电路设计的稳压性和可靠性,是电路设计中的非常关键的一个环节。方案一:采用分离元件构成的稳压电源。其电路主要是由整流电路、滤波电路、稳压电路、保护电路组成。由于电路元件较为分离，制作较为麻烦，所以较少采用。方案二:采用7800系列、7900系列构成的稳压电源。7800系列为正电压输出，7900系列为负电压输出。其芯片内部集成了启动电路、基准电路、误差放大器、过热保护、过流保护和调整管。具有稳压性能好，输出纹波电压小，电路简单、成本低廉。方案三:采用LM317构成的稳压电源。三端可调式集成稳压器LM317是在三端固定式集成稳压器的基础上发展而成的,它不仅保留了前者的优点,而且在性能上有很大的提高。其电压调整率SV=0.02,负载调整率S1=0.1，比7800系列高一个等级。综上所述，采用方案二可以较为容易的满足电路的要求。2. 单元电路设计2.1 控制系统电路的设计控制系统的中心是由单片机AT89S51为主要控制器件工作的。2.2 步进电机驱动电路的设计 步进电机的驱动电路电路采用型号为17PU-H012-G1UT的两相混合永磁步进电机,其每相具用两个绕组,所以该电机即可四线驱动,也可六线驱动。在本设计中中采用两相六线的形式驱动。其中一个电机的驱动电路如图1-3所示，另一路驱动电路与此电路相同。电路主要由三极管8550、8050、互补硅功率达林斯顿管TIP142和光耦元件组成，其中单片机I/O口分别通过光耦合器与驱动电路相连接，增加了系统的抗干扰能力。单片机通过I/O口发送驱动控制信号，从而控制步进电机的速度及正反转。图1-3 步进电机驱动原理图2.3 键盘电路的设计电路采用的是矩阵式键盘，每一水平线（行线）与垂线（列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，如图1-3所示。这种行列矩阵式非编码键盘的单片机系统中，键盘处理程序首先执行有无按下的程序段，当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键被按下。对键的识别常有逐行（或列）扫描查询法，本设计采用逐行扫描查询法。图1-3 44矩阵键盘接口原理图以图1-3所示的44键盘为例，说明行扫描法识别哪一个按键被按下的工作原理。首先判别键盘中有无键按下，由单片机I/O口向键盘送(输出)全扫描字，然后读入(输入)列线状态来判断。方法是： 向行线(图中水平线)输出全扫描字00H，把全部行线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根列线电平被拉至低电平，从而使列输入不全为1。判断键盘中哪一个键被按下是通过将行线逐行置低电平后，检查列输入状态实现的。方法是： 依次给行线送低电平，然后查所有列线状态，称行扫描。如果全为1，则所按下的键不在此行；如果不全为1，则所按下的键必在此行，而且是在与零电平列线相交的交点上的那个键。2.4 输出显示电路的设计串口六位数码显示主要由供电电路、串并转换电路、数码显示电路组成(如图2.1)。图2.1供电电路是由三个二极管组成，其目的是降低电源的电压为数码管提供合适的工作电压，从而省去了为每个数码管要加八个电阻的麻烦。串并转换电路主要由六块移位寄存器74ALS164组成。当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当一组数据依次输入时，寄存器中的数据在每个时钟脉冲的作用下依次向下一个寄存器传递。最终在输出端（QAQH）得到八位并行输出的数据。由于寄存器是级联的，所以在时钟脉冲的作用下依次为每个数码管提供八位的数据。数码显示电路主要由八段数码管组成，其电路为共阳，当输出一定的编码数据时显示相应的数字。2.5 电源电路的设计为了能够使系统较为稳定的工作，电源电路采用了分立供电的办法，一路是专门为步进电机驱动电路供电的12V电压，一路是专门为控制系统、输出显示电路、键盘电路供电的5V电压。图2-1 三端固定式正压稳压器原理图一路采用了MC7805T三端固定式正压稳压器提供5V的电源电压，其电路原理图如图2-1所示。市电经过变压器降压、整流滤波、 送入三端稳压器进行稳压，三端稳压器内部具有基准电路、误差放大电路和调整管，当输入电压大于5V或小于5V时,稳压器的内部调整管会自动的进行电压的调节,让电压保持在5V处。其中C2用于滤波，C6用于抑制芯片的自激振荡，C8用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声，C4用于滤除纹波，D10发光二极管用于电源指示灯。另一路采用了MC7812T三端固定式正压稳压器提供12V的电源电压，其电路原理图和图2-1基本一样，只须将MC7805T替换为MC7812T即可。系统的热设计与电磁兼容设计由于稳压管和开关管的发热量比较大,而电子元件的性能对温度比较敏感,因此热设计的好坏直接关系到系统的准确性。在设计和制作中，对热设计采用如下几点措施： 所有稳压管和开关管均加大散热片，并尽量放置在PCB板的外围； 控制部分与发热量比较大的电源主电路分开制板； 取样电阻采用并串的方法，加大散热的等效表面积，减小取样误差。由于系统的技术指标很高，对电磁兼容的设计，包括系统内部的相互干扰、外界对系统的干扰以及系统对外界的电磁干扰，采用如下一些有效的措施： 电源输入端加专用的单相滤波器，能很好地解决系统与外界电网的相互干扰； 主电路电源与控制部分用不同的变压器分别供电，且在硬件布局时使用单独的模块； 模拟地与数字地采用单点共地和串电感接地的方式，降低干扰； 所有IC的电源输入端并联一个0.1uF的电容去耦； 模块间连接的信号线使用双绞线； 单片机采用看门狗监视。3. 软件设计 软件设计的的关键是对单片机AT89S51的控制以及数据输出。软件实现的功能是： 处理键盘的输入信息，并进行译码送给单片机内部； 处理单片机要输出的信息并显示； 计算与控制步进电机的转数与方向； 3.1矩阵键盘电路的软件设计矩阵键盘电路是人机交流的工具，相应软件利用汇编语言来编写。该程序流程图如图2-2所示。从该流程图中可见：程序流程的前一部分为判别是否有按键按下，后一部分为有按键按下时行扫描读取键的位置码。键盘扫描工作过程如下： 判断键盘中是否有键按下； 进行行扫描，判断是哪一个键按下，若有键按下，则调用延时子程序去抖动； 读取按键的位置码； 将按键的位置码转换为键值（键的顺序号）0、1、2、F。图2-2 44键盘扫描流程图在扫描的过程中，按键的位置码并不等于按键的实际键值（或键号），因此还必须进行转换。这可以借助查表法或其它方法，在本电路的设计中采用的是计数译码法，即根据矩阵键盘的结构特点，每个按键的值行号每行的按键个数列号，即键号（值）行首键号列号在本设计中44键盘行首键号为0、4、8、C，列号为0，1，2，3。程序详见附录。3.1 串口输出的控制与显示电路的程序设计串口输出的控制与显示电路的程序的主要功能是实现数字显示.相应软件采用汇编语言编写。汇编语言是用于逻辑设计的硬件语言，利用它，硬件的功能描述可完全在软件上实现。串口输出的控制与显示电路的程序设计流程图如