悬挂运动控制系统(E题)设计报告

悬挂运动控制系统(e问题)设计报告摘要：本悬挂控制系统是控制80cm100cm范围内物体的直线、圆、轨迹等的电动机控制系统，可以显示运动中运动物体的坐标。AT89S52微控制器作为核心控制设备，57BYG007-4步进电动机和高输出步进电动机驱动器SM-60作为动力设备，用于黑线跟踪检测的红外反射光电传感器，LCD1602的显示部分。关键词：悬挂控制、单片机、步进电机、红外反射光电传感器一、设计要求1，任务设计控制物体在倾斜板(海拔100度)上运动的电机控制系统。在白色底板上固定两个滑轮，两个马达(固定在图板上)通过穿过滑轮的绳子控制一个物体的运动，运动范围为80cm100cm。物体的形状不受限制，质量大于100克。物体上有固定的浅色画笔，可以在移动时在图版上绘制运动轨迹。与笔刷颜色不同，以1厘米间隔标记的浅色坐标线的左下角是笛卡尔坐标原点，示意图为：2、基本要求：(1)控制系统可以通过键盘或其他方法任意设置坐标点参数。(2)可以控制在80cm100cm范围内移动的物体，长度不超过100cm，物体在移动过程中可以在300秒内绘制移动轨迹。(3)可以任意设定在300秒内完成的直径50厘米圆运动的中心。(4)物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的坐标点之一(两点之间的直线距离不小于40厘米)。3，部分发挥(1)可以显示对象上笔刷位置的坐标。(2)控制物体沿板上显示的任意曲线运动(见示意图)，曲线在测试时在现场显示。(。线宽1.5厘米至1.8厘米，全长约50厘米，颜色为黑色；曲线的第一部分连续，约30厘米；长度。后者为1厘米；距离小于或等于2个总长度约20厘米的不连续线段。将沿连续曲线的动作限制在200秒内完成，将沿不连续曲线的动作限制在300秒内完成。(3)其他。4、评分标准项目满分基本要求设计和摘要报告：方案比较、设计和演示、理论分析和计算、图表和相关设计文档、测试方法和工具、测试数据和测试结果分析。50实际制作完成50发挥部分项目(1)完成10在项目(2)中完成连续管段运动14完成项目(2)的间歇分段运动16其他105，说明1、物体的运动轨迹以画笔画的痕迹为基础，在将物体的运动轨迹与预期轨迹匹配的同时，运动时间要最小化；2、在特定测试中，如果运动超过有限的时间，则不能分割此项目。3、如果运动轨迹和预期轨迹之间的偏差超过4cm，则不会分割项目。4、在基本要求(3)、(4)和播放部分(2)中，允许对象在开始运动之前手动放置对象；开始运动后，就不能再人为干预物体的运动了。5、比赛结束、控制系统存档和传输部门组织委员会、测试板(包括空白贴纸)测试本身。二、演示和选择方案1.选择核心控制模块案例1: FPGA/CPLD方式。开箱即用的FPGA/CPLD完成键盘定义和识别、电动机运行状态选择和切换、液晶屏电路的驱动和控制等功能。此解决方案的优点是系统结构小、操作方便，并且可以使用很多I/O端口。调试需要大量布线，缺点是过程繁琐，使用CPLD时内部没有ROM，因此功能实施存在限制。方案2:单片机方法。由单片机、电动机驱动电路和电动机等组成的系统。此外，利用单片机，可以实现键盘定义和识别、电机工作方式的选择和切换等功能，使用系统尺寸小、灵活性大、更熟悉的单片机的最小系统电路板减少工作负荷。这种控制方法由于单片机的程序存储容量大，可以选择8K的AT89S52微控制器之一。基于上述分析，建议选择选项2。选择电动机和驱动器模块马达驱动模块是控制悬挂物体运动的系统的执行机制。方案1:使用通用小型直流电动机。一般直流电动机由于自身结构的限制，控制精度很低，无法达到系统要求的指标，这里不采用。方案2:使用专用步进电动机驱动器和与之匹配的步进电动机。使用这种体系的控制精度、效率、可靠性高。根据准确度要求选择方案2。3.黑线探测模块场景1:由多阵列光敏电阻组成的光电探测器。因为如果感光电阻检测到黑线，黑线上的电阻值就会发生变化，通过电压比较器比较向微控制器发送信号，控制物体进行适当的动作。但是，由于光敏电阻能识别环境光，因此很容易受到外部环境光的影响。而且，方案2:利用红外反射检测调整的红外线垂直于板面发射，反射后转换为单片机电信号进行处理。因使用红外线，不受外部自然光影响，追踪效果好。基于上述讨论，选择了抗干扰能力强的方案2。4.显示方案的选择案例1:使用LED数位管显示器。LED数码管亮度高、醒目，但电路复杂、显示信息量小，动态扫描需要大量的微控制器时间，因此无法实时显示。案例2:使用汉字液晶显示器。液晶屏具有微功率、小尺寸、轻薄显示信息、清晰写入、美观、舒适的视觉等优点。本设计使用1602字符LCM。1602字符式LCM克服了LED数码管的缺点，具有显示容量大、使用单片机插座少、节省单片机时间、功耗低等优点，完全满足了此系统要求。5.位置检测模块位置检测模块用于实现“显示画笔位置”功能。此模块可以有两种类型的解决方案：硬件和软件。场景1:在物体上安装两个水平和垂直方向的激光笔，在板边的每条坐标线旁边安装光传感器，带有对象坐标的传感器可以接收激光笔，确定物体的位置。该方案总共需要180个光学传感器，表明该方案几乎不可能实现。案例2:使用软体方法决定物件位置。由单片机控制的物体从已知的坐标位置出发，记录步进电机的每次移动，可以通过一定的算法计算物体的位置。这个方案没有位置传感器，准确度低，但系统很简单。避免过于复杂的硬件方案的缺点。此设计使用方案2。6.键盘模块此模块使用可插拔键，最低系统使用p 2.0-p 2.7，44的16点阵键盘。可以输入1-9之间的数字。也就是说，您可以输入点的座标值(x，y)，然后输入清除、确认和其他功能键。三、系统特定的设计和实现1、硬件电路设计(1)系统的总体设计如图3-1所示，使用AT89S52微控制器作为移动物体的控制中心，进行数学计算，处理光电传感器发送的信号，控制移动物体的运动方向，计算移动物体的坐标位置，显示液晶屏数据，控制键盘等。图3-1系统方框图(2)黑线检测模块电路黑线检测模块电路也见3-2。如果红外反射光电传感器ST178位于黑线上，则光电开关输出高水平。相反，输出是低级别。在光电传感器输出级别后连接逆变器74LS04，以稳定级别并增加驱动器容量。本设计使用8个红外传感器检测黑线，并通过并行端口芯片74LS165将数据串行传输到单片机。图3-2黑线检测模块电路(3)键盘电路此设计使用4x4矩阵键盘进行数字输入和功能选择，通过AT89S52微控制器P2端口通过键盘行扫描识别键击。键盘电路如图3-3所示。图3-3 4x4键盘电路相应的键码如下：789/456/123/清除0确认/(4) SCM电源电路如图3-4所示，使用5V电源、集成电压调节器芯片7805实现了单片机控制电路、红外传感器模块电路和液晶显示模块。图3-4单片机电源电路(5)步进电动机驱动电路本设计使用57BYG007-4步进电动机和特殊细分步进电动机驱动器SM-60作为动力装置。57BYG007-4步进电动机是4相混合步进电动机，实验室中现有电动机驱动器以2相运行，固体步进电动机以1.8度运行，通过步进电动机驱动器SM-60细分以0.9度运行。马达驱动SM-60介面如下：GND端是外部直流电源，直流电压为12vA，A-端点在马达A上，B，B-端点在马达B上。COM包括光隔离电源、单芯片电源5V、CP端是脉冲信号，下降有效。DIR端点是方向控制信号，级别高度决定了电动机的运行方向。自由端允许驱动器、高水平或悬浮马达运行。低级驱动器没有电流，电动机是自由的。2、软件和算法设计(1)计算物体位置图3-5对象位置图计算坐标点参数将画笔所在的位置设置为整个对象的位置。图3-5将物件位置的初始值座标设定为(X，Y)L1=L2=马达a的步进设定为a cm，马达b的步进设定为b cm，物件高度设定为h cm。图8是位于场地特定位置的物体。x轴点位置和h为y轴点位置Y=115-h从一点到另一点实现控制对象是在x，y知道条件的情况下求出电动机的步进过程。图8中解决方案：可以解开(cm)(cm)因此，如果使用上述算法分别控制两个步进电动机的步进a、b，则可以在控制系统中输入起始坐标和结束坐标，以使对象在画板上自由行走。(2)直线算法：目前绘制直线的算法也有多种，包括逐点比较直线插值、脉冲增量插值和数据收集插值。此设计基于实际知识，选择逐点比较直线插补方法，如下所示：逐点比较法的基本原理是刀具沿要求轨迹加工零件轮廓时，继续比较刀具与加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果确定下一步骤的进给方向，以减小偏差的方向进给刀具。图3-6第一象限线如图3-6所示，将直线的起点设置为坐标原点，将终点坐标设置为a(，)，将点m(，)设置为切削点(转至点)。将偏差公式定义为：=0表示点m位于OA直线段上。0表示点m位于OA直线段上，即点m 。0表示点m位于OA直线段下方，即点m 。第一个象限-点-点-点比较方法的内插方式为：从直线的起点开始，零(0)时沿x轴方向移动一个步长。0时沿y轴一步；如果两个方向的步长数等于结束坐标(，)，则发送结束信号并停止插值。进一步简化了上面定义的偏差公式，导出了偏差的递归公式。 0时沿x轴一步，(1) 0时沿y轴一步，(2)型式(1)和型式(2)是简化后偏差的计算公式，它仅使用一次加法或减法，即可从旧点偏差和终点座标加入或减去新加工点的偏差。本体设计遵循上述原则，但是对于不是原点的线，使用起始座标返回0证明了可行性。(3)绘制圆算法：使用圆弧插补法绘制圆的算法。圆弧插补方法也是图形系统中常用的方法，它与直线插补方法原理相同，并且是逐点比较算法。F=0表示处理点位于圆弧上。F 0表示切削点位于弧的外部。F 0表示切削点位于弧内。如果F0，为了逼近圆弧，下一步在-X轴上移动一步，并计算新偏差。F 0，要逼近圆弧，下一步向y轴进给一步，并计算新的偏差值。每个象限插值公式为在实际工作中，可以使用圆的中心作为假定的坐标原点，并根据上述原理设计算法。(4)跟踪黑线检测与跟踪算法如图3所示，以画笔为中心，在半径20毫米的周围安装了8个反射红外对管作为轨道检测传感器。07654321-11图3-7轨道检测传感器安装方法图3-8方向调整图图3-7根据安装方法和安装半径，只要系统的采样频率足够高，轨道就不能超出探测范围。但是，因为有8个传感器的多种组合，使用一般的贫乏组织法很难控制追踪，所以直接设计了追踪算法。图3-8定义了跟踪时移动的8个方向，图中的黑色箭头(方向1)表示了物体的当前跟踪方向。跟踪时，使用变量Direct指示当前对象移动的方向，每次对象移动时在当前方向向前步进一定距离，然后检测采样传感器信号，调整Direct，然后在新的Direct方向步进。给定曲线是连续的，因此每次调整Direct时，只能使用1或-1。如图3-8所示，如果需要向左走，Direct将添加1，向右走，减去1，然后继续。只有8个运动方向，因此直接的操作必须在模式8 (0 7)范围内进行。现在，考虑如何确定左偏角或右偏角时，使用上述调整方法，只需根据Direct前后方向和左右方向的4个信号调整Direct即可。在图4中，仅根据1、3、5、7方向的信号调整Direct。在每个方向上保持等于1的传感器信号是恒定的，因此8向调节策略存储为静态数组，在调节时直接检查表，从而易于编程。该跟踪算法大大缩短了跟踪运动的调试时间，为整个作品的成功完成奠定了基础。当每个步进的距离为1小时时，如果直接方向的前面、左侧和右侧3处的传感器都被发现为白纸，则传感器显示检测到曲线的间歇部分或末端，此时应根据