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电器电子毕业设计论文
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毕业设计209悬挂运动控制系统,电器电子毕业设计论文
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1 悬挂运动控制系统（ E 题） 摘要： 本设计采用单片机 AT89C55 作为悬挂运动的检测和控制核心。采用四只反射式红外传感器检测板上的黑色曲线，控制物体沿黑线运动。利用可编程器件 GAL16V8 实现的脉冲分配器和大功率驱动电路 L298 共同组成步进电机的驱动电路，结合软件控制电机的转向和转速。基于可靠的硬件设计和稳定精确的软件算法，实现了物体在斜板上作圆周运动、定点运动和画 板上标出的 任意曲线 运动 。 LCD320240 作为液晶显示界面容量大，显示内容丰富，通过与键盘结合设置坐标点和选择运动方式，并能直观显示画笔所在的位置 ，具有良好的人机交互功能。系统增加了由 AT89C51 控制的无线数据传输功能实现了对系统的远程控制，并采用双口 RAM IDT7132 将主控制 CPU AT89C55 和AT89C51 进行隔离，保证数据传输的稳定性和可靠性。 关键词： 步进电机，红外检测，双口 RAM Abstract: In this design, microcomputer AT89C55 was applied as the control center. Four reflecting-infrared sensors were used to detect black lines and to keep the object moving along the black line. Stepping motorss turning and rotating speed were controlled by the drive circuit, which are constituted by GAL16V8 and L298. Based on the reliable hardware design and the precise software algorithm, the object has successfully fulfilled circular movements, movements on a certain point and arbitrary curvy movements shown on the board. In order to make the design more intelligent, LCD320240 was employed as display interface, indicating the location of the painting brush intuitionistically. By combining the keyboard and DS1302 LCD, this design has also achieved coordinate points setting and movement manner selecting. The additional function of radio data transmission which is controlled by AT89C51,made available the long-distance control of the system. CPU AT89C55 and AT89C51 are separated by IDT7132 to ensure data stability and security. Key word: stepping motor, reflecting-infrared sensors, dual-port RAM nts 2 目 录 1. 系统方案论证与比较 4 1.1 设计思路 4 1.2 方案选择与论证 4 1.2.1 总体方案选择与论证 4 1.2.2 各模块方案选择与论证 5 1.2.2.1 控制器选择与论证 5 1.2.2.2 电机驱动方案的选择与论证 5 1.2.2.3黑线检测方案的选择与论证 6 1.2.2.4 键盘方案的选择与论证 6 1.2.2.5 显示方案的选择和论证 7 1.2.2.6无线数据传输方案的选择与论证 7 1.3系统各模块的最终方案 7 2. 系统的硬件设计与实现 8 2.1系统硬件的基本组成部分 8 2.2 主要单元电路的设计 8 2.2.1 单片机控制电路 8 2.2.2 电机驱动电路 9 2.2.3 黑线检测电路 10 2.2.4 键盘 /显示电路 11 2.2.5 无线发射接收电路 12 2.2.6 自制电源电路 13 3. 系统的理论分析与计算 14 3.1物体到达设定坐标点过程的理论分析与计算 14 3.2 圆周运动理论分析与计算 15 3.3 黑线检测理论分析 17 4. 系统的软件设计 18 4.1系统主程序流程图 18 nts 3 4.2 键盘子程序 20 4.3 指定坐标运动子程序 20 4.4黑线检测子程序 20 5. 系统测试与分析 22 5.1 测试仪器 22 5.2 测试方案、数据及结果分析 23 5.2.1 自行设定运动测试 23 5.2.2 圆周运动测试 23 5.2.3 指定坐标运动测试 24 5.2.4 黑线检测测试 25 6. 结束语 2 5 参考文献 25 附录 1：主要元器件清单 26 附录 2 系统原理图 27 附录 3 系统使用说 28 附录 4 程序清单 29 nts 4 1. 系统方案设计与比较 1.1 设计思路 题 目要求设计一电机控制系统来控制物体在倾斜（仰角 100）的板上运动。根据要求需采用两只电机来控制物体在斜板上的运动方向。采用传感器检测黑色曲线，使物体能够沿任意给定的曲线运动，运动轨迹偏差 4cm。坐标点参数的设定可以通过键盘来实现。为了提高系统数据的可读性并实现对系统的远程控制，本次设计增加了显示和无线数据传输和控制功能。 1.2 方案选择与论证 1.2.1 总体方案选择与论证 方案一：采用步进电机作为控制物体运动的动力源，根据悬挂物体的两段吊绳的长度来调整物体在斜板上的位置，完成作曲线、画圆、寻找坐标 点等功能。利用几何原理分别计算出物体在当前坐标位置和目的坐标位置下两段吊绳的长度，分别比较各段吊绳的变化情况，以此判断电机的转向；并根据变化值的大小确定电机转动的步数，即电机驱动所需的脉冲数，系统控制器根据要求向驱动发出相应的脉冲数，驱动步进电机转过要求的步数，使物体运动到达相应的目标点。步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，只要负载不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能使步进电机立即启动或停止。我们采用常用四相八拍的步进电机转动一圈有 800步，转换精度高，正转反转控制灵活。 方案二：总体设计思想 与方案一相似，也是根据吊绳长度来调整物体的坐标位置，采用直流伺服电机控制物体运动。直流伺服电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，可实现频繁的启动和反转；且伺服电机自带光栅，具有高扫描精度，能精确的检测出电机转过的角度。但是在方案一的基础上，在物体在运动过程中，绳子与竖直方向的夹角是随物体的运动而变化的，这使伺服电机在牵引物体时其牵引力随物体的位置的改变而改变，其中力的变化和位置的改变是一个非常复杂的函数关系，这要求系统具有高速的数据处理能力，同时对执行系统的驱动电路参数做出迅速改变 。这对于 DSP 等具有高速数据处理能力的系统来说相对容易，但对于 MSC-51 系列的单片机来说其要求实现难度较大。 上述两种方案都能实现本次系统的设计要求，而且控制灵活，精度较高，经过仔细nts 5 地分析讨论，考虑到方案一在数据处理上相对简单，本设计采用方案一。 1.2.2 各模块方案选择与论证 1.2.2.1 控制器选择与论证 方案一：采用 CPLD（复杂可编程逻辑器件）作为系统的控制器。 CPLD 内部各类门电路齐全，可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定度 ，也可以运用 VHDL（超高速硬件描述语言）语言软件来实现，而不必画出各逻辑电路的器件框图。 CPLD采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模的实时系统的控制核心。由检测模块输出的信号并行输入 CPLD， CPLD 通过软件程序设计对数据进行处理，并控制各模块的正常工作，而且掉电数据不丢失，但由于 CPLD的集成度高，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，加重了电路设计和焊接的工作，若用实验箱的导线来连接，则可靠性不高，也影响美观。 方案二：采用单片机 AT89C55作为系统的 控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程来实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术熟练和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。 基于以上分析，采用方案二。由于本次设计中添加了无线数据传输功能，需要对数据进行实时传输，为了保证数据的正常传输，本设计采用双 CPU作为控制系统。两片 单片机分别对各模块进行检测和控制，这样减轻了单个 CPU的负担，提高了系统的工作效率和稳定性。 1.2.2.2 电机驱动方案的选择与论证 电机的驱动电路主要通过控制电机的正转和反转实现物体在 斜板上的运动。对于电机的驱动电路有以下几种方案。 方案一：采用继电器对电机的开关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对电机转速的调整。该方案的优点是电路较为简单，但是继电器的响应时间长，易损坏，所以不符合高速控制系统且寿命较短，可靠性不高。 方案二：采用软件法。按照给定的通电换相顺序，通过单片机的 I/O 口向驱动芯片电路发出控制脉冲，并通过改变延时的时间来改变输出脉冲的频率，从而实现对步进电机转向和转速的控制。该方法需要占用大量的 CPU 时间，难以处理其它任务，降低了 CPU的工作效率。 nts 6 方案三：采用可编程器件 GAL实现脉冲分配。 GAL可采用 ABEL语言按照给定的通电换相顺序实现脉冲分配，并向驱动电路发出控制脉冲。该方案的一个显著特点就是采用软硬件结合的方法，大大减轻了 CPU的负担，只有向 GAL发出两个控制信号就可实现对电机的控制。另一个特点就是电路简单，只需两片芯片即可，不需外加任何元件。 基于以上分析，采用方案三。 1.2.2.3黑线检测方案的选择与论证 方案一： 采用光电三极管作为采样传感器。利用光电三极管的光生伏特效应，利用黑色物体与白色物体对于光线的反射的不同，控制光电三极管的导通与截止，来反映当前传感器正 对的是黑线或者是白色的底板。 由于利用自然光容易受环境的干扰，也难适合环境的变化。同时底板的浅色网格线造成的干扰难以消除或者减弱。 方案二：采用一体化红外对管作采样传感器。一体化红外对管，与其他光电传感器具有相同或者相似的工作原理。但由于其工作在不可见的红外光波段而具有一定的优势。同时由于红外对管本身带有滤光片，能减少环境光线的干扰。配合其他措施，甚至可以基本消除环境光线干扰。图 1.1 为红外传感器检测框图。 红 外 对 管 过 压 比 较 器 单片机图 1.1 红外检测框图 基于以上分析，为了提高系统的抗干扰性，本设计采用方案二。 1.2.2.4 键盘方案的选择与论证 在该系统中需要通过键盘对坐标点参数进行设置，以实现对物体状态的控制，此处对以下两种方案进行比较。 方案一：采用单片机 AT89C2051 与地址译码器 74LS138 组成控制和扫描系统，并用 AT89C2051 的串口对主电路的单片机进行通信，这种方案既能很好的控制键盘及显示又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。但是该系统所接的按键数目有限，且占用了对 应主 CPU 的串行端口，其应因此用受到限制。 方案二：采用 HD7279，实现对按键的扫描、消除抖动、闪烁等功能。同时该芯片还可连接多达 64 键的键盘矩阵，软件编程简单。用 7279 和键盘组成的人机控制平台，nts 7 能够方便的进行控制单片机的输出。 方案一虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计实际需求和电路整体的性能，采用方案二。 1.2.2.5 显示方案的选择和论证 用来实时显示物体中画笔所在位置的坐标，同时也可显示设定坐标点。 方案一：使用传统的数码管显示。数码管具有以下优点：低功耗，低能，寿命长，耐 老化，防潮，防晒，防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，精确可靠，操作简单。但是数码管体积大，显示位数有限，不适用于显示数字信息量大的情况。 方案二：采用液晶显示屏显示坐标。液晶显示屏（ LCD）具有轻薄短小、低功耗、无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，可显示的信息量大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。而且现在很多液晶都自带字符库，程序简单，应用方便。根据液晶型号的不同，有些液晶还可显示中文和图片。 基于上述分析，考虑到本次设计所要显示的信息量，采用方 案二。 1.2.2.6无线数据传输方案的选择与论证 方案一： 采用双向无线数据传输模块。该模块以通信 RF芯片 Nrf401 为核心，具有通信速率高，功耗低，应用简便等特点，但费用相对较高。 方案二：采用 SP 多用途无线发射接收模块。该模块的频率稳定度高，抗干扰能力强。同时由于该模块自身辐射极小，可以减少自身振荡的泄露和外界干扰信号的侵入，在小型数据传输终端应用广泛。 比较以上两种方案，考虑到实际经济和应用问题，本次设计选用方案二。 1.3 系统各模块的最终方案 经过仔细地分析和论证，选定了系统各模块的最终方案如下： 控制器：采用单片机 AT89C55和 AT89C51 组成的双 CPU控制 系统 ； 电机：采用两只四相八拍步进电机； 电机驱动：采用两片 GAL16V8和两片 L298； 黑线检测：采用四对红外传感器； 键盘：采用 7279智能显示驱动芯片； nts 8 显示：采用液晶显示屏（ LCD）显示； 无线发射 /接收：采用 SP多用途无线发射接收模块对； 2. 系统的硬件设计与实现 2.1 系统硬件的基本组成部分 系统利用红外传感器将检测到的黑线信息转换为可被控制器辨认的电信号，控制器根据这些电信号和键盘发出的信号进行逻辑判断，控制电机转动 ,实现物体 在斜板上的运动。该系统主要分为以下几个部分电路：单片机控制电路，电机驱动电路，黑线检测电路，键盘 /显示电路，无线数据收发电路，自制电源电路。系统原理框图如图 2.1 所示。 单片机控制系统黑 线检 测键 盘LCD显示无 线接 收远 程控 制系 统电机驱动无 线发 射键 盘LCD 显 示自 制 电 源图 2.1 系统原理框图 2.2 主要单元电路的设计 2.2.1 单片机控制电路 该系统采用 AT89C55 和 AT89C51组成的双 CPU控制电路。其中单片机 AT89C55接收从传感器、键盘检测到的电信号和逻辑脉冲 信号，并将输入的信号进行运算处理，控制nts 9 各单元电路。 AT89C51 作为数据传输系统，主要控制远程数据传输，以保证数据传输的可靠性。两片 CPU之间用双口 RAM连接，起到隔离的作用，减少数据传输的干扰。控制电路原理图如图 2.2所示。 P 1.01P 1.12P 1.23P 1.34P 1.56P 1.45P 1.67P 1.78R S T9P 3.0( R X D )10P 3.1( T X D )11P 3.2( / I N T 0)12P 3.3( / I N T 1)13P 3.4( T 0)14P 3.5( T 1)15P 3.6( / W R )16P 3.7( / R D )17X T A L 218X T A L 119GND20P 2.021P 2.122P 2.223P 2.324P 2.526P 2.425P 2.627P 2.728/ P S E N29A L E ( / P R O G )30/ E A ( V P P )31P 0.732P 0.633P 0.534P 0.435P 0.336P 0.237P 0.138P 0.039V C C40AT89C55U1A T 89C 55A 0L6A 1L7A 2L8A 3L9A 4L10A 5L11A 6L12A 7L13A 8L14A 9L15A 10L4A 9R33A 8R34A 7R35A 6R36A 5R37A 4R38A 3R39A 2R40A 1R41A 0R42A 10R44I / O 0R25I / O 1R26I / O 2R27I / O 3R28I / O 4R29I / O 5R30I / O 6R31I / O 7R32I / O 0L16I / O 1L17I / O 2L18I / O 3L19I / O 4L20I / O 5L21I / O 6L22I / O 7L23R / W L2/ O E L5/ C E L1/ B U S Y L3R / W R46/ O E R43/ C E R47/ B U S Y R45V C C48V S S24U 107132OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12U274A S 573P 1.01P 1.12P 1.23P 1.34P 1.56P 1.45P 1.67P 1.78R S T9P 3.0( R X D )10P 3.1( T X D )11P 3.2( / I N T 0)12P 3.3( / I N T 1)13P 3.4( T 0)14P 3.5( T 1)15P 3.6( / W R )16P 3.7( / R D )17X T A L 218X T A L 119GND20P 2.021P 2.122P 2.223P 2.324P 2.526P 2.425P 2.627P 2.728/ P S E N29A L E ( / P R O G )30/ E A ( V P P )31P 0.732P 0.633P 0.534P 0.435P 0.336P 0.237P 0.138P 0.039V C C40AT89C55U4A T 89C 51OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12U374A S 573A _P 01A _P 02A _P 03A _P 04A _P 05A _P 06A _P 07A _P 20A _P 21A _P 22A _P 23A _P 24A _P 25A _P 26A _P 27GNDGNDGNDA _P 00A _W RA _R DGNDA _A L E B _A L EA _A L EV C CGNDB _P 00B _P 00B _P 01B _P 02B _P 03B _P 04B _P 05B _P 06B _P 01B _P 07B _P 02B _P 03B _P 04B _P 05B _P 06B _P 07B _W RB _R DB _P 20B _P 21B _P 22B _P 20B _P 21B _P 22B _P 23B _P 24B _P 25B _P 26B _P 27B _A L EV C CV C CB _W RB _R DA _W RA _R DGND GNDV C CGNDB _P 23GNDR S T12345678BUTTON&MOTORDRIVE12J5 P O W E RA _X 1A _X 212345678J2LCD12345678J3TIME& EEPROM&B _P 10B _P 11B _P 12B _P 13B _P 14B _P 15B _P 16B _P 17R S T12345678J6CON8A _P 10A _P 11A _P 12A _P 13A _P 14A _P 15A _P 16A _P 17A _P 30A _P 31A _P 32A _P 33A _P 34A _P 35B _P 30B _P 31B _P 32B _P 33B _P 34B _P 35B _X 1B _X 2R1R E S 2VCCGNDC1C A PC2C A PY111.0592C3C A PC4C A PY211.0592A_X1 A_X2B_X1B_X2C6C A PC7C A PC8C A PC5C A P C9E L E C T R O 1C 10E L E C T R O 1C 11E L E C T R O 1C 12E L E C T R O 1V C CR2R E S 2K1S W - P BV C CR E S 2RA _P 00A _P 01A _P 02A _P 03A _P 04A _P 05A _P 06A _P 07C 13E L E C T R O 1R S TD1LED12345678J812345678J712345678J1CON812345678J4CON8V C CPhotoelectricity sensor图 2.2 单片机控制电路原理图 2.2.2 电机驱动电路 本次设计选用的步进电机工作在四相八拍方式，驱动电路由 GAL16V8 和 L298组成。电路原理图如图 2.3所示。 I N P U T 15I N P U T 27I N P U T 310I N P U T 412e na bl e A6e na bl e B11O U T 12O U T 23O U T 313O U T 414V s s9Vs4s e ns e B15s e ns e A1GND8L298J1 L 29 8c l k1i n12i n23i n34i n45i n56i n67i n78i n89GND10EN11ou t 112ou t 213ou t 314ou t 415ou t 516ou t 617ou t 718ou t 819V C C20D1G A L 16 V 8V C CV C CO U T AO U T BO U T CO U T DO U T AO U T BO U T CO U T DV C Cc l k i nf _w a you t 1ou t 2ou t 3ou t 4+ 15 图 2.3 电机驱动电路原理图 其中 GAL16V8 为可编程器件，采用 ABEL 语言产生电机四相的控制时序。由于 GAL的 OUT 端输出电流很小，无法驱动电极运转，所以后级采用 L298 驱动芯片来放大输出功率而不改变四相的时序状态，从而实现电机的驱动。当 CLK口输入一个脉冲时，电机nts 10 转动一拍，步角为 0.45，因此可以通过给定脉冲的个数来确定电机转动的角度。 In1端为电机转动方向控制端，为高电平时电机正转；低电平时反转。 由于该系统使用两只步进电机，需要两个如图 2.3 的驱动电路分别控制各电机，GAL16V8的输入端与单片机相连，由单片机发出控制脉冲信号。 2.2.3 黑线检测电路 为了确保对于任意黑色曲线寻迹，本系统采用了四个红外传感器来检测黑线。在实际使用中将传感器嵌入物体内部，使物体底面与斜面完全接触，基本消除了环境光线的干扰，提高了系统的可靠性。 图 2.4 为其中一路红外传感器的具体实现电路，其余三路与本路使用同一参考电压UREF，增强系统的对称性，同时也方便电路的调试，简化了电路形式。该电路 检测原理：光电传感器利用黑线与白线的反射光的强弱做出判断。当检测到黑线时，传感器接收头收到少量的光线，传感器截 止，输出低电平。当没有检测到黑线时，底面白色反射大量光线，传感器导通，输出高电平。由于板上有浅色坐标线，也会被传感器到，产生干扰信号。 231411X 1AL M 32 4Q1R31.2kV C CR2360D1V C CR4104R5502R11KD25.1VO U T R6 100R E F图 2.4 红外检测电路原理图 本模块电路采用 +5V 供电，符合运放 +3V 30V 的单电源电压要求，红外发光管限制最大电流 50mA，导通压降约为 1.1V，为取得比较好的使用效果，减少干扰，设定工作电流在 10mA 左右 ，选择限流电阻 R2： R2=U/I =4V/10mA =400 ，实际使用取电阻nts 11 标称值 360。接收管 采用 100K 精密绕线 电阻作为采用电阻，通过调节使传感器工作在最佳状态。 为了减少网格线的干扰，需要调整 VREF ，采用 R3， R5， R6 组成分压电路，为有较大的调节范围选取 R3， R4， R5 分别为： 1.2K， 500 欧姆， 100 欧姆。 考虑使用四路完全相同的传感器，本系统采用了由通用 4 运放 LM324 组成的过压比较器，输出经过1K 的限流电阻和 5.1V 的稳压管使输出电压被钳制在 0V 5V，使输出的高电平更高，低电平更低，对黑线的判断能力更强。 2.2.4 键盘 /显示电路 由于添加了远程控制部分，本设计采用两块键盘显示电路，键盘部分均采用 HD7279来读取按键值，送到单片机处理；系统电路部分采用 LCD320*240LCD显示，远程控制电路采用 1602LCD 显示。键盘 /显示电路主要实现坐标设定、运动方式的选择和显示坐标的设定值和当前值、运动时间等功能。 图 2.5 为主系统的键盘显示电路原理图。液晶和 7279 均采用串行方传输数据，当有键按下时， 7279的 KEY 脚由高电平变为低电平，单片机检测到这一信号后从 DATA脚 VDD1VDD2NC3V S S4NC5/ C S6C L K7D A T E8/ K E Y9SG10SF11SE12SD13SC14SB15SA16DP17D I G 018D I G 119D I G 220D I G 321D I G 422D I G 523D I G 624D I G 725C L K O26RC27R E S E T287279J27279R 1910KR 1810KR8100KR7100KR6100KR5100KR4100KR3100KR2100KR1100KR 411.5 KC 14150PV C CV C CR 16200OR 15200OR 14200OR 13200OR 12200OR 11200OR 10200OR9200ODAT72 79 - C L K72 79 - C SK E Y0 10 1A J 00 10 1A J 10 10 1A J 20 10 1A J 30 10 1A J 40 10 1A J 50 10 1A J 60 10 1A J 70 10 1A J 80 10 1A J 90 10 1A J 100 10 1A J 110 10 1A J 120 10 1A J 130 10 1A J 140 10 1A J 150 10 1A J 160 10 1A J 170 10 1A J 180 10 1A J 19R 1710K1234J1C O N 41234J3C O N 4V C CGNDP 3.0P 3.1L C D 3 2 0 * 2 4 0图 2.5 主系统键盘显示电路原理图 nts 12 读取键盘数据，并根据键值做出相应的动作。 该液晶显示屏拥有 320*240个点阵，分辨率高，显 示界面清晰，信息齐全。本次设计中将制作多个显示界面，可以通过键盘来选择不同的界面，设置物体的运动状态，具有良好的人机交互功能。 远程控制系统的键盘电路与图 2.5相同，液晶选用 1602，数据采用并口传输，其显示 16 2个字节，不能显示文字和图片。本系统只需显示设定坐标值，将设定的坐标值发送给主系统控制物体运动。 2.2.5 无线发射接收电路 本次设计采用现成的 SP多用途无线数据发射接收模块。图 2.6(a)为 SP数据发射模块，其 工作频率为 315M，采用声表谐振器 SAW 稳频，频率稳定度极 高，声表谐振器的频率稳定度 仅次于晶体。具有较宽的工作电压范围 3 12V, 当电压变化时发射频率基本不变 ,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。这套模块的特点是发射功率比较大，传输距离比较远，天线最好选用 25 厘米长的导线，远距离传输时最好能够竖立起来，因为无线电信号传输时受很多因素的影响，所以一般实用距离只有标称距离的一半甚至更少。该 SP 数据模块采用 ASK 方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流为零。 （ a） 发射模块 (b)接收模块 图 2.6 无线发射接收模块实物图 图 2.6(b)为 SP 数据接收模块，其 工作电压为 5 伏，静态电流 4 毫安，它为超再生接收电路，接收灵敏度为 105dbm，接收天线最好为 25 30 厘米的导线，最好能竖立nts 13 起来。接收模块本身不带解码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用，这种设计有很多优点，它可以和各种解码电路或者单片机配合，设计电路灵活方便。 SP接收模块工作时一般输出的是高电平脉冲，不是直流电平，所以不能用万用表测试，该电路采用一个绿发光二极管串接 一个 3K 的电阻来监测 SP模块的输出状态。当有数据接收到时，绿灯亮，否则为暗。 本设计将发射模块与远程控制系统相连，接收模块与系统主控制系统的 AT89C51相连当该系统通过键盘设定坐标点和运动方式后，通过发射模块向主控制系统发送数据；接收模块负责接收这些数据并送给单片机处理。 2.2.6 自制电源电路 为了调试方便并保证所用的电源满足系统功率的要求，该系统采用自制电源供电，该电路直接采用电网输入，即将 220V、 50HZ 的交流电直接输入该模块，输出为本系统正常工作所需的三种电压： +5V， +15V， -15V。 112233U1 7815112233U3 7805112233U2 7915T1T R A N S 4T2T R A N S 11234D1B R I D G E 11234D2B R I D G E 1F1C10.1uC20.1uC3C4C50.1uC6+ C722 00 uF 2 5V+ C825 V 2 20 0u F + C922 00 uF 2 5V220V16V16V7.5VD3D4D5R1R2R3+ 15 V- - 15 VGNDGND+ 5V0.1u0.1u0.1u1K1K220o图 2.7 电源模块电路原理图 电源供电部分电路如图 2.7所示。该部分电路比较简单，不作详述。要说明的就是由于输出电压需提供较大的电流，所以相应的滤波电容取值较大，均为 2200uF。三端稳压的负载重，功耗大，在工作时温度很高，为了保证其正常工作，需安装散热片。输出端的三只发光二极管作为指示灯，当电路各端有输出时，对应的指示灯亮。 nts 14 3. 系统的理论分析与计算 3.1 物体到达设定坐标点过程的理论分析与计算 该系统采用计算两滑轮到物体吊绳的距离来实现步进电机对物体的运动轨 迹的控制，控制实物图如图 3.1 所示。选用物体为长方体铁盒，其长（沿 y轴方向）为 14cm，宽（沿 x 轴方向）为 9cm。在物体的中心放置画笔，所指的物体坐标就是画笔所在的位置。设物体中心当前所在的坐标为00( , )xy,则物体上固线处 C的坐标为 C00( , 7)xy。如图所示滑轮中心到坐标格最左端的水平距离为 15cm，则图中两个滑轮、物体和吊绳 AB、DE分别构成两个直角三角形 ABC、 DCE，滑轮半径越小越精确。 ABCC B DEE 左 右图 3.1 定点运动示意图 nts 15 由图可得， AB=DE=（ 108-0y） cm， BC=（ 15+0x） cm， CE=（ 95-0x） cm 根据勾股定理：斜边 2200B C A B x y 22A C = ( 1 5 + ) + ( 1 0 8 - )cm 2200C E D E x y 22D C = ( 9 5 - ) + ( 1 0 8 - )cm 若物体要运动到坐标点11( , )xy，则 C点的坐标为 C11( , 7)xy，此时构成直角三角形 AB C、 DC E，同理可得斜边的长度： 2211B C A B x y 22A C = ( 1 5 + ) + ( 1 0 8 - )cm 2211C E D E x y 22D C = ( 9 5 - ) + ( 1 0 8 - )cm 比较吊绳 AC 和 AC 、 DC 和 DC 的长度，从而判断图中左右两电机的转动方向和角度。当 AC AC 时，左电机反转拉线；同理可根据 DC 和 DC 的大小来控制右电机的正反转。电机转动的角度分别由 AC和 AC 、 DC 和 DC 长度差的绝对值决定，即 |AC - AC |、 |DC - DC |。 本次设计采用的步进电机转动一周的周长为 8.2cm，最小步进为 0.45，即电机每转动一步，转过的位置为0 8 . 2 0 . 4 5 0 . 0 1 0 2 5 0 . 0 1360 cms c m c m oo据此可以计算出物体要完成从 C点到 C点的运动，两个电机分别需转动的步数。 甲电机的转动步数为1 |m A C - A C | / 0 . 0 1 = 1 0 0 A C - A C |乙电机的转动步数为2m D C - D C | / 0 . 0 1 = 1 0 0 D C - D C |步进电机转动的步数即为其收到的脉冲个数，单片机根据所得的脉冲数向电机驱动器发出脉冲，控制电机转动，使物体从一设定坐标点到达另一设定坐标点，或从原点达到任意设定坐标点，并可实时显示画笔所在坐标位置。 3.2 圆周运动理论分析与计算 题目要求 控制物体作圆心可任意设定、直径为 50cm 的圆周运动 ，可采用上面分析的到指定坐标点的方法，即把圆看成是有由无数各点组成的，取其中的有限个点来一步步完成圆周运动。这就要求物体在作圆周运动时要知道下一点的坐标值，可以通过软件计算或查表法来得到这些数据。 若采用查表法， 为了保证圆的精度，需在圆周上等间隔取较多的点，将处理好的数nts 16 据以表格的形式保存在单片机内。由于数据量大，这一工作量是很庞大的，而且这些数据占用了大量的 CPU 内存。而软件计算只多了两步运算，对 CPU 的工作效率影响不大。所以本次设计采用软件计算方法。 物体作圆周运动的实质就是到达指定坐标点的运动。若设定圆周运动的圆心为（ x0,y0），如图 3.2 所示，设作圆周运动的起点为圆最左端的点，即（ x0-25， y0）。则物体在系统的控制下首先找到该起点，然后自该点沿顺时针方向运动。根据图 3.2 得，圆周上各点（ x,y）可有下列 公式计算所得： 0 2 5 c o sxx , 0 2 5 s inyy 其中 的值由 到 -变化， 的步进越小，取点数越多，精度越高。 （ 25 , 25 ）（ x 0 ， y 0 ）cmcm图 3 . 2 圆周运动示意图（ x 0 - 25 ， y 0 ）( x 1 , y 1 )nts 17 3.3 黑线检测理论分析 由于题目要求所画曲线为任意曲线，并且线宽在 1.5cm到 1.8cm之间，颜色为黑色；并且中间存在 2 个间断点， 间断距离不大于 1cm。坐标上曲线轨迹如图 3.2 所示。根据前面分析，我们采用四只红外传感器进行黑线检测，根据信号处理后输出的高低电平来判别传感器是否在曲线上，从而通过单片机控制两只步进电机使物体保持沿曲线运动，并能顺利通过断点到达曲线终点。四只传感器的序号和位置分别如图 3.3 所示，安装在物体中央区域。 1、 3 水平放置， 2、 4 垂直放置，物体中心为画笔所在位置。放大曲线轨道区域如图 3.4所示。 图 3.3 光点传感器位置分布图 图 3.4 放大曲线轨道区域及传感器分布图示意图 nts 18 物体沿曲线运动过程中，要求 4对光电传感器保持在曲线上；当有 1只或 2只传感器脱离曲线时，立即通过 2只步进电机进行运动方向纠正，使其回到曲线上。电机以单步进行调整， 1、 2、 3、 4 分别代表左、上、右、下首先出界点。调整纠正方法如表 1所示。 曲线上断点检测是通过物体运动方向上首先信号发生变化的点，但又不是偏离运动轨迹的点，即确认为间断点。此点不为纠正调节点，继续维持原来运动方向。直至通过间断线并记录 2个间断线后到达第 3个间断线既为曲线终点，执行停止操作。并适时显示物体 通过曲线轨迹的位移和时间，并保存数据。（注：第 1 间断线不计长度和时间，第二间断线计长度和时间）。 表 1 物体运动调整表 步进电机 运动出界方向 运动纠正方向 步进电机纠向转动状态 左 左上 右下 正转 右下 左上 反转 右 右上 左下 正转 左下 右上 反转 注：步进电机反转为拉线，正转为放线。 4. 系统的软件设计 系统的软件设计采用 C 语言对单片机进行编程实现各项功能，其中可编程器件 GAL采用 ABEL语言来描述换相状态。 C 语言程序在 Windows XP 环境下采用 KeiluVision 2 软件编写，实现对红外传感器的信号查询、电机方向、输出脉冲数控制、键盘显示等功能。同时由于本次系统需要进行大量的运算，采用 C语言编程可以大大简化程序，与汇编语言相比，体现出明显的优势。 4.1 系统主程序流程图 系统主程序流程图如图 4.1所示，物体的运动方式通过键盘选择，设定的坐标点在不同的运动方式下表示不同的含义：作圆周运动时，该点为圆心；作到指定坐标点运动时，该点为运动的目标点；作黑线检测时，为黑线的起始点。系统根据设定方式作出控nts 19 制物体作出相应的动作。从远程控制电路中接收到的数据有坐标值和代码，系统 通过代码值来判断物体做何种运动。 开 始系 统 初 始 化键 盘 检 测是 否 有键 按 下 ？坐标设置运动方式设置黑 线 检 测圆 周 运 动定 点 运 动是否LC D 显 示 画 笔位 置 坐 标运 动 结 束是否接收到数据 ？判 断运 动 方 式是否图 4.1 系统主程序流程图 nts 20 4.2 键盘子程序流程图 单片机对按键有效输出端进行检测，当有键按下时，发送读键盘数据指令读取键值。程序对每个键值的功能都预先作了设定，根据读取的键值判断下一步将要执行的功能。本设计中的两个键盘采用相同的子程序。键盘子程序流程图如图 4.2所示。 开 始初 始 化复位是 否 有 键 按 下 ？读 键 盘 值判 断 键 值确 定 各 键 功 能否是图 4 . 2 键盘子程序流程图4.3 指定坐标运动子程序 设定坐 标点（ x1,y1），控制物体从当前位置运动到指定坐标的过程。该子程序流程图如图 4.3所示，图中的字母代表的点如示意图 3.1所示。 4.4 黑线检测子程序 根据四个红外传感器的组合状态，单片机分别控制两只电机进行相应的运动，使物体沿黑线运动，并能准确地判断出断点并能通过断点继续运动，直到走完黑线。黑线检测子程序流程图如图 4.4 所示。 nts 21 开 始设定坐标 （ x 1 , y 1 ）计算 AC ， DC ，| AC - AC |， | DC - DC |左电机反转 100 | AC - AC |步AC ACAC = ACDC DCDC = DC左电机不转左电机正转 100 | AC - AC |步右电机反转 100 | DC - DC |步右电机反转 100 | D C - DC |步右电机不转根据以上判断驱动两电机转动返 回是否是是是否否否图 4 . 3 指定坐标运动子程序流程图AC AC ， DC DCnts 22 开 始到 达 黑 线的 起 始 点判 断 是 否 有
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