悬挂运动控制系统(获奖设计)

悬挂运动控制系统摘要本系统以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心,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，实现了悬挂画笔在给定的范围内的定点运动、任意曲线运动以及圆心可任意设定的圆周运动等功能，不仅完成了发挥部分要求,利用SPCE061A强大的语音处理功能，还增加了语音播放功能。关键词单片机运动控制模型智能算法步进电机一、方案论证根据题目的设计要求，本设计主要实现勾画设定轨迹和对设定轨迹的搜寻功能，并能实时的显示物体中画笔所在位置坐标。其系统方案框图如图11所示。为实现各模块功能，提出了几种设计方案并进行论证。图11系统方案框图1、控制器模块方案一采用传统的51系列单片机作为系统控制器。在本设计中，单片机的运算速度越快，运动轨迹精度越高，所以对单片机的执行速度有较高的要求；又由于本系统程序量较大，使用的I/O口资源较多，对于51来说，实现这些功能都比较困难。方案二采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心。与51相比，SPCE061A具有更加丰富的资源具有32个可编程的I/O口，14个中断源；CPU的工作时钟频率可以高达49152MHZ，可以更好地满足本设计对数据处理速度的要求；独特的语音功能可使本系统具有更好的人机交互界面。综上分析，选择方案二。2、电机驱动模块在本设计中，主控制器通过对电机的步进数控制来实现物体的运动，从而作出各种运动轨迹，设计思想是将物体的运动转换为拉线的伸缩，最终将伸缩量转化为电机的步数，从便于软件设计的角度出发，采用了57BYG系列两相混合式步进电机作为被控电机，这种具有较高的控制精度，速度的可控性好，制动性强。其驱动方案如下采用微步进驱动模块，微步进驱动模块是由微控制器外接D/A转换器及光耦隔离电路组成的，它可以产生步进电机所需的相序脉冲。系统单片机只需提供电机转动的方向信号和步进脉冲，其硬件连接简单，程序易编写，且节省I/O口。所以本系统采用步进电机微步进驱动电路。3、语音模块由于本设计采用的控制芯片是凌阳SPCE061A单片机，该芯片本身具有语音功能，所以本系统只需利用SPCE061A为核心的精简开发板，就可以实现语音功能，不需再做专门的语音模块。4、寻迹模块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、采用单光束反射取样式光电传感器ST178作为敏感元件，利用红外线对不同颜色的反射系数不同而产生强弱电流信号，所以受外界环境的影响比较小，抗干扰性比较强。基于以上两种方案比较，采用方案二。二、详细软硬件设计1、硬件设计系统电路连接及硬件资源分配本系统硬件电路连接图见图21。图21系统电路连接图SPCE061A的硬件资源分配见表21。表21SPCE061A单片机硬件资源分配表I/O口资源使用情况使用IOA100用于LCD液晶显示IOA1411用于电机驱动控制IOB70用于44矩阵式键盘IOB118用于传感器光电检测TIMERA未使用TIMER使用情况TIMERB未使用中断使用情况FIQ语音播放中断服务程序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个光电传感器作为检测元件，其放置方式如图22所示。图224个光电传感器放置方式在连续段寻迹时，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。系统各模块单元电路设计（1）电源部分电路设计本系统中使用了两相混合式步进电机，其额定工作电流达到20A，而W78系列组件，最大输出电流为15A，因此电路中采用了外接大功率三极管C5297来扩大电流输出范围，其电路如图23所示。在7815的输出极加上大功率三极管，扩流后的电流为IOIOIC上式中IO是7815的输出端电流，IC为三极管集电极电流。扩大后的电流达到20A以上，满足系统电机驱动电流的要求。图23电源电路（2）语音播报模块设计凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，经LM396音频放大，即可驱动喇叭放音。放大电路如图24所示。图24语音播报电路（3）寻迹部分电路设计根据题目的要求，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。光电传感器的硬件设计如图25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的OUT分别连接IOB8IOB11。图25寻迹电路（4）显示模块设计在系统中，利用通用的液晶1602作为显示模块实时显示寻迹或者定点的坐标。液晶1602的技术参数为显示容量32个字符，每个字符为57点阵，分2行，每行16列芯片工作电压4555V工作电流2MA（50V）模块最佳工作电压50V字符尺寸295435（WH）MM其典型应用接口图如图26。本系统中DB0DB7连接SPCE061A的IOA0IOA7，EP连接IOA8，R/W连接IOA9，RS连接IOA10。图261602与单片机典型接口（5）键盘模块电路设计根据设计需求，本系统中使用了标准的44键盘，其电路原理图如图27。图中C1C4为44键盘的列信号，L1L4为44键盘的行信号。在本系统中，用IOB4IOB7连接键盘的列信号C4C1；用IOB0IOB3连接键盘的行信号L4L1。图2744键盘电路原理图在本系统中，S1S3、S5S7、S9S11、S13为数字键，如图28，S4、S8、S12、S14S16为功能键。图2844键盘功能图2、软件设计理论分析与计算1、位移/脉冲转换方法给步进电机一定频率的脉冲，使电机拖动一载体移位100CM，记录下此期间所给脉冲总数Z,由此则步进电机拉动载体位移1MM所需的脉冲数注意给定的频率不要太高，否则会出现丢步。多测几次，取脉冲数相近的那个脉冲数Z,因此，直接可将拉线的位移转化为送给电机的脉冲个数。脉冲的频率决定转速，脉冲个数决定位移。2、点到点运动核心算法结合图29说明，假设E（X0,Y0）,FX1,Y1为给定平面范围上的任意两点，作辅助线（图中虚线部分），在直角三角形ABE中A0在直角三角形CDE中B0同理对于F点，两拉线长分别为A1B1因此当悬挂物从E点运动到F点时电机1的收放线长度为C（当C0时，电机反转（或拉线收缩）CA0A1电机2的收放线长度为D（当D0时，电机正转（或拉线伸长）DD0D1根据C，D的正负分别确定电机1，电机2的正反转向。而根据C，D的绝对值来确定电机1，电机2各自所需的脉冲数电机1所分配的脉冲数MP电机2所分配的脉冲数NP图29点到点运动示意图3、误差补偿为了使运动轨迹更加平滑，采用按比例分配脉冲的原则进行交替送脉冲，电机2所运行的脉冲数是电机1所运行的脉冲数的倍，因此电机1每运行T个脉冲，电机2就需要运行T个脉冲，该算法可能会造成电机2所送的脉冲数与理论计算脉冲数稍有偏差，因此加入适当的补偿程序，使得所运行轨迹精度更高，曲线更平滑。4、数学模型本设计要求悬挂物能够画一个圆，设所画圆的圆心坐标为（X0,Y0）半径为固定的25CM，（X,Y）为圆周上的任意一点，由此确定圆的方程为XX02YY02252若直接使用该方程来求圆上点的坐标，算法比较复杂，采用了圆的参数方程XX025SINT；YY025COST；X0,Y0为圆心坐标这样，则圆的坐标仅与参数T有关，因此，使角度T以某一设定的角度步长V累加，使TQV在周期T,T2内变化，其中Q为累加步数。这样就可以采样到圆上均匀的点，显然，角度步长V越小，在圆周上取得点越多，控制也会更精确。程序流程（1）主程序本系统软件设计采用凌阳NSP的汇编语言与C语言交叉使用，可固化、可剪裁，以实现系统所要求的各项功能。系统软件主程序流程图如图210所示图210主程序流程图（2）定点运动子程序通过对步进电机的控制，使悬挂物从初始位置运动到指定点流程图如图211所示图211定点运动子程序流程图（3）画圆子程序根据圆的参数方程的计算圆上点的坐标，通过调用定点程序来实现，画圆程序流程图如图212所示。图212画圆子程序流程图（4）寻迹子程序通过判断传感器的不同状态值，作出相应的处理动作，当遇到断点时，多角度检测下段的黑线，直到再次检测到黑线。寻迹流程图如图213所示。图213寻迹子程序流程图三、测试说明1、测试指标将设计题目所要求的各基本功能和发挥部分进行分项测试。2、测试仪器测试使用的仪器设备如表31所示。表31测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量/台备注1数字万用表VC98061胜利公司2微机稳压电源1启东计算机总厂3双踪示波器DS5022M1RIGOL4米尺15秒表12、自行设定运动测试将物体放在坐标原点，控制物体作自行设定的运动。运动距离设定为136CM，完成时间为5586S。表32是多次测试的纪录。表32自行设定运动测量数据测试次数123行程/CM136136136全程行使时间/S5586554555653、圆周运动测试首先设定圆心坐标，根据给定半径，单片机控制物体运动到画圆的起始位置，并语音提示开始画圆。经测试所画圆的最大轨迹误差为05CM，所用时间为4856秒。经过多次测试完成良好。表33圆周运动测量表测试次数/次设定圆心坐标（X，Y）画笔位置坐标显示情况完成时间/S完成情况误差/CM其他发挥14000，5000实时显示4883良好010语音提示24500，5500实时显示4856良好010语音提示33500，5000实时显示4785良好010语音提示4、定点运动测试首先设定物体所要到达的一个点的坐标，控制物体总左下角原点出发，在规定时间内较好的完成了题目要求。表34是多次测试的纪录。表34定点运动测量数据序号设定坐标（X,Y）实际测量误差/CM完成时间/S其他发挥14500，55004480，54800200502255语音提示24000，40003980，39700230451680语音提示37000，85006980，84400240382833语音提示5、寻迹测试利用光电测试模块，由单片机控制物体作任意形状的寻迹运动，并能判断间断线段，表35为多次测试的结果。表35寻迹测量数据序号连续线段寻迹情况完成时间/S间断线段寻迹情况完成时间/S1完成3287完成26282完成3280完成26313完