毕业论文：悬挂运动控制系统的设计 ㊣ 精品文档 值得下载

运动轨迹长度不小于，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限秒内完成控制物体做圆心可任意设定直径为的圆周运动，限秒内完成物体从左下角坐标原点出发，在秒内到达设定的个坐标点两点间直线距离不小于。

发挥部分能够显示物体中画笔所在位置的坐标控制物体沿板上标出的任意曲线运动，曲线在测试时现场标出，线宽，总长度约，颜色为黑色曲线的前部分是连续的，长约后部分是两端总长约的间断线段，间断距离不大于沿连续曲线运动限定在秒内完成，沿间断曲线运动限定在秒内完成其他。

方案比较与论证根据题目的技术指标和要求，系统可分为机械部分控制部分和信号检测部分。

具体可划分为滑块位移检测模块，纸面线段寻迹模块，键盘，控制模块，显示模块，电机驱动模块电机系统绘图装置。

如图所示。

对各模块的实现，分别有以下些不同的设计方案。

图系统组成电动机驱动调速模块根据题目的要求，电机控制部分要求的控制精度高，定位要准确。

经过分析，有以下三个方案可以选择方案采用两个直流减速电机共同带动滑块达到控制的目的。

由达林顿管组成的型电路。

用单片机控制达林顿管，使之工作在占空比可调的开关状态，可以简单的实现转速和方向的控制，稳定性极强，是广泛采用的调速的方法，但是不能精确定位，达到题目要求十分困难。

方案二使用继电器对步进电机控制。

通过开关的切换，实现对电机的各相绕组分时通入脉冲达到换向和调速的功能，优点是电路非常简单，缺点是继电器的相应时间慢，机械结构易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案三使用驱动芯片对步进电机控制。

驱动芯片电路简单，可靠性高，单片机可纸面线段寻迹模块滑块位移检测模块控制器模块键盘显示模块电机驱动模块绘图装置电机系统以直接驱动。

电机的调速和位移量控制，可以通过软件实现，变化范围大，容易实现，反应速度快。

由于大赛的时间短，工作量大，同时对可靠性要求也比较高，基于以上的考虑，我们选了方案三，利用集成芯片来驱动步进电机。

控制器模块根据题目的要求控制器主要用于电机的控制，传感器信号的接收与辨认数码管显示的管理和键盘的扫描，对于控制器的选择有以下两种方案方案采用作为系统的控制器。

可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，易于进行功能扩展。

适合作为大规模实时系统的控制核心，但由于题目对数据处理的速度要求不高，的高速处理能力得不到充分的体现，其成本偏高，同时芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工六个键的键盘，为了应用方便我们将键盘和放在了起数码管及其驱动电路放在了起如图所示，也放在了显示电路中如图所示。

的使能端和数据端口与单片机相连，单片机对显示的数据进行控制同时页在对键盘进行扫描，等待触发。

和键盘电路图图数码管显示电路图图电机驱动电路题目中滑块质量为大于克的物体，用双电机驱动，电机的驱动力矩不需要太大但如果没有定的余量步进电机容易出现丢步现象，所以我们选用公司的型步进电机，步距角为度步，最大静力矩克每厘米，定位力矩小于等于克每厘米。

驱动芯片选用。

是款双桥驱动器可以提供高电压大电流的驱动芯片。

可以避免用分立元件带来的设计问题，电路异常简洁，其最大驱动能力为。

它可以由单片机直接驱动，输出脉冲波型对电机进行控制，由图可以看到，有四个输入接口和四个输出接口，他们分别与单片机的口对应相连，还有两个控制使能端，控制输出。

为了节省单片机资源我们将两个使能端都直接置高，使输出仅由单片机控制，使得控制更灵活方便又节约资源。

我们可以看到芯片共有两个输入电压，伏为芯片工作电压，伏为输出电压。

由单片机输出的五伏弱电流信号经过芯片内部电路的变化输出为伏的恒流信号，四个输入口依次通过脉冲，例如顺序是电机顺时针转动，通电顺序是，那麼电机逆时针转动，在电机的每个输出口两端分别加个二极管，这样是为了防止电机在断电的瞬间产生的感应电动势将器件烧毁。

如图所示。

型步进电机是五线四相制电机，有五条引线与驱动芯片相连，这五根引线中有条是公共地线，通过查找相关资料和反复试验的基础上，我们确认橙色线是地线，而且通电顺序是红线黄线棕线绿线，或通电顺序相反则反向旋转。

图电机驱动电路图绳子位移量的测量采用鼠标内部的机械滚轮，它实际上是个结构简单巧妙的机械构件，内部为个小圆盘，圆盘上是些金属片，滚轮带动个金属触点转动，可使两个引脚导通或断开，当滚轮连续转动时，则可根据测量导通的次数来计算轴转过的角度，继而精确的计算线绳位移。

由于滑轮上的线绳只有圈，在滑轮上测量比较精确。

但滑轮为从动部件，绳子给其的摩擦力不足以带动滚轮，所以将机械滚轮安装在电机转轴上。

因为选用线绳的直径极小，所以不会产生太大误差精度还是比较高的。

此部分电路十分简单，只需加个电压和大电阻即可。

纸面线段寻迹的设计方案设计题目要求滑块沿板上标出的任意曲线运动，因为曲线颜色为黑色且有定宽度，所以我们可以利用红外反射式检测器对黑色或白色有敏感反应的特性，对坐标纸上的黑色线进行检测。

与平时常见的小车寻迹不同，滑块自身没有动力，每走完小步后都相当于停止，所以它运动的方向很难确定，若在各方向上都进行试探法搜索则程序会相当复杂，也不易实现。

为此我们在滑块上安装了个红外发射接收对管，使它们围成个半径为的圆周。

我们使用的红外发射接受对管长约，所给黑线宽约，所以以这样圆周的方式安装传感器定会有个传感器检测到黑线。

类似盲人用探路棒探路，在已知大概方向的前提下，探到哪里没有障碍物就向哪个方向走。

因为白纸上的黑线只有条，所以可以向检测到黑色的那个传感器的方向走，这样传感器就起到了探路棒的作用。

具体可根据相对坐标平移的办法实现。

电路设计图中光传感器的端为光发射，端为光接收，当光电反射器在黑白面上移动时，端便得到个变化的脉冲电压，此电压经过个施密特电路整形后得到电平传送到单片机。

为了适应实际情况，采取可变参考电压，改变第脚电压，可取得不同的回差电压，此电压越大电路抗干扰性越强，但触发灵敏度越低。

综合考虑，我们取脚电压为。

当光电传感器检测到黑线时，的脚输出低电平反之，输出高电平。

利用下降沿可触发的中断。

检测电原理图见图。

图红外线传感器电路图系统的软件设计运动机构数学模型的建立本题的解题思路是通过改变绳长来控制滑块的运动，所以首先我们要了解滑块的运动规律，即滑块坐标与其到两滑轮间绳长的关系，为此我们对此控制系统建立了个数学模型。

为了提高精度且避免浮点数处理，选取毫米为单位。

首先，如图，选取点为模型坐标原点，则，，，。

当滑块运动到点时，设其坐标为若忽略上端滑轮的半径，则有，且初始时刻滑轮到原点间绳长的距离则滑块由原点运动到点两段绳分别改变的长度为，若考虑两滑轮的半径时，进行平均补偿则又因为题中给定左下角为直角坐标原点，所以进行坐标变换转化为要求的坐标原点，则由公式我们就可以求出坐标图上每点所对应的两个步进电机的位移输出量，考虑到单片机的运算能力有限，我们事先把把坐标图上每个格点的坐标值都算出来，存储到只读存储器中，当单片机用到时直接查表得到，然后再通过相应的运算，就可以实现几乎所有复杂的运动曲线。

控制系统程序的设计与实现控制程序总体设计主单片机程序设计功能获取键盘控制信息，显示输入信息，输出步进电机控制脉冲序列，串口通讯主单片机程序流程图，图程序总体流程图结束开始输入坐标控制运动绘制自选图形绘制圆形寻迹模式坐标定位子程序绘制设曲线子程序画圆子程序寻迹子程序开始等待坐标输入有无记录坐标值开始运动否是依次运动到对应坐标值返回开始设置滑块运动曲线计算下点坐标值查表得到步进电机的输出量依次运动到对应坐标值返回结束运动否是有无否是开始等待圆心坐标输入记录坐标值开始运动返回原坐标点返回开始设置滑块运动曲线计算下点坐标值查表得到步进电机的输出量运动到对应坐标值返回结束运动否是系统测试为了确定系统与题目要求的复合程度，我们对各项任务的完成情况作了实际的测试。

测试仪器卷尺秒表各个指标测试自行设定运动测试要求运动轨迹长度不小于，限秒之内完成。

实际测试以，为起始点，做由两个正弦曲线组成的字形轨迹。

测试结果运动轨迹与理论曲线基本吻合，误差最大处有。

轨迹总长约，运动时间秒。

根据测试结果可看出，滑块可以自行设定轨迹进行运动，且误差在允许范围内。

圆周运动测试要求圆心可任意设定直径为，限秒内完成。

测试结果测试次数圆心坐标最大误差运动时间，可以看出滑块的圆周运动达到题目要求，但实际画出的轨迹不是很光滑，呈阶梯状，这是由于圆的运动分割成小段直线，限于步进电机的步长，圆周不可能无限细分。

键盘输入坐标点并运动到该点的测试要求物体从左下角坐标远点出发，在秒内到达设定的个坐标点。

测试结果测试次数设定的坐标误差运动时间，滑块在规定时间内到指定的坐标，且精度较好。

物体沿板上黑线运动测试要求连续部分秒内完成，断续部分秒内完成采取红外探测方法，通过多个红外发射接收对管来探测黑线，哪个探测到向哪个传感器的方向运动。

测试结果在连续部分滑块基本可以正确监测到黑线并沿其运动测试次数完成状况最大误差运动时间第条任意黑线全部顺畅第二条任意黑线全部顺畅第三条任意黑线在断续处停止由测试结果可以看出，红外传感器可基本监测到白纸上的黑线，但还存在些漏洞，若再增加些传感器的个数可弥补此漏洞。

总结本系统以单片机和芯片为核心部件，以步进电动机为动力核心，通过对系统精确的数学建模，得到了步进电机输出和绘图华快的运动坐标的精确对应关系，最终通过查表的方式控制输出量，实现了滑块到达指定坐标走圆形轨迹和任意指定轨迹检测寻迹等题目要求的功能，还实现了通过键盘对滑块运动的控制。

此外由于时间有限和其他方面些原因，该系统还有许多值得改进的地方，红外线有定的缺陷，在光线较强的环境下属处高低电平不稳定，使得寻迹不够精确。

参考文献何立民单片机高级教程北京，北京航空航天大学出版社，年刘宝廷，程树康等步进电动机及其驱动控制系统哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，年马忠梅，籍顺心，张凯，马岩单片机的语言应用程序设计北京，北京航空航天大学出版社，年陈永甫红外探测与控制电路北京，人民邮政出版社，年何希才，姜余祥电动机控制电路应用实例北京，中国电力出版社，孙