悬挂控制运动系统.pdf

1 竞赛设计报告竞赛课题：悬挂运动控制系统学生姓名：罗建龙、熊尚德、唐远钢指导老师：彭勇、罗胜华二一一年七月六日名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 18 页 -2 摘 要本设计为悬挂运动控制系统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通过按键设定运动点的坐标参数，能在规定的时间之内画出自行设定的运动轨迹，也可以实现画出圆形轨迹的要求其系统是由单片机STC89C52来核心控制的，通过单片机的强大的逻辑计算能力实现电机的转速控制，以达到运动点的正常轨迹，利用单片机的端口资源优势实现按键控制和显示输出，可以达到很好的人机交流，显示输出还可以看出题目要求的时间，更好的可以检测系统的优越性关键字：悬挂运动；步进电机；单片机名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 18 页 -3 目 录1 系统方案的选择与论证.4 1.1 基本要求：.4 1.2 发挥部分.4 1.3 控制器器模块.4 1.4 电源选择.5 1.5 驱动芯片的选取.5 1.6 电机的选取.6 1.7 显示模块的选取.6 2 系统框图和单元电路设计.7 2.1 按键控制.7 2.2 L298N 驱动.8 2.3 显示模块.9 3理论分析与计算.10 4 程序流程图.12 4.1 主程序流程框图.12 5 调试.13 5.1 按键调试.13 5.2 定点运动测试.13 6 总结.15 7 参考文献.16 附录一.17 电路原理图：.17 附录二.18 主程序：.18名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 18 页 -4 1系统方案的选择与论证1.1 基本要求：（1）控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；（2）控制物体在 80cm 100cm 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 发挥部分（1）能够显示物体中画笔所在位置的坐标；（2）控制物体沿板上标出的任意曲线运动(见示意图)，曲线在测试时现场标出，线宽 1.5cm1.8cm，总长度约 50cm，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约 30cm；后一部分是两段总长约20cm 的间断线段，间断距离不大于 1cm；沿连续曲线运动限定在200 秒内完成，沿间断曲线运动限定在 300秒内完成；（3）其他1.3 控制器器模块【方案一】80c51 采用 80c51 单片机作为控制核心，51 单片机价格低廉，使用简单，有掉电模式，并且其右40 个 I/O 口，但其运算速度比较慢，功能也比较单一，增加了设计电路与软件设计的难度方案二】STC89C52 采用该单片机，有看门狗功能，自带AD转换，还有 4 个 PWM，支持串口下载，超强的抗干扰能力，运行速度快，超低功耗，内存比较大，在此次设计电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 18 页 -5 中我们需要调速，我们用单片机中 pwm 来调速，该设计需要的 I/O 不多，用在此非常合适经过方案之间的比较，我们采用方案二1.4 电源选择【方案一】单一电源所有器件都采用单一电源。

这样供电虽然比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且给定脉冲信号驱动的电机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，对单片机系统造成严重的干扰，缺点十分明显方案二】双电源供电将电机驱动电源（12V）和单片机的供电电源（5V）完全隔开，这样设计可以彻底消除电机驱动所造成的干扰，提高了系统的稳定性经方案之间的比较，本系统采用双电源供电1.5 驱动芯片的选取【方案一】采用专用芯片 L298nL298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应的频率高，且还带控制使能端，用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良方案二】采用 DSP芯片采用 DSP芯片，配以电机控制所需要的外围功能电路，通过数控电压源调节电机运行速度，实现控制物体的运动轨迹该方案的优点是体积小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高，但系统的软硬件复杂、成本高方案三】继电器采用继电器对电机的开和关就行控制，通过开关的切换对电机的速度就行调整，这方案的特点就是电路较为简单，实现容易，缺点是继电器的响应速度慢，机械结构容易损坏，寿命较短基于以上分析，我们选择方案一名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 18 页 -6 1.6 电机的选取【方案一】直流电机直流电机具有优良的调速特性，速度平滑、方便、调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转；能满足自动化控制系统各种不同的特需运动要求。

直流电机的各种状态可以分为两种，：开环和闭环状态在开环状态时，电路简单，但定位性能比较差，在闭环状态时，七定位性能精确，但相对开环状态又增加了很多检测器件，使用元件多，电路非常复杂方案二】步进电机步进电机是将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、启停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，即给电机一脉冲信号，电机就转过亿步距角因此，步进电机具有快速启停的能力，如果负荷不超步进电机所能提供的动态转矩值，就能立即启动或反转，而且步进电机的转换精度高，驱动电路简单，非常合适定位控制基于以上分析，我们选择方案二1.7 显示模块的选取【方案一】液晶屏用 LCD进行显示，液晶显示屏（LCD）具有功耗低、无辐射危险、平面直角显示及影像稳定等，可视面积大，画面效果好，即可以显示图形也可以显示汉字，分辨率高，抗干扰能力强，显示内容多等特点液晶屏可以与单片机直接相连，电路设计及连接简单方案二】数码管采用数码管进行显示，可以与单片机直接相连，但浪费的 I/O 太多，只可以显示数字、字母，显示不出图形和汉字，在此次设计中，我们要显示坐标和显示时间，那样用的数码管太多，数码管的可视范围小。

基于以上分析，我们选择方案一名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 18 页 -7 2系统框图和单元电路设计图 2 系统框图按键输入信号给单片机，可以定圆心，单片机给显示模块信号，显示模块显示坐标，单片机给L298N驱动芯片信号，驱动芯片给电机电压，让电机正反转2.1 按键控制用三个按键来实现，按下按键，可以改变坐标，当按下S2时，可以改变横坐标，按一下加一，当在按下S2不放时，当前模式就不是加的模式，进入减的模式，当在按下下 S2时，按一下就减一，当按下 S3时，可以改变纵坐标的数值，按一下就进入了加的模式，当在按着S3不放，就会进入减的模式，在选好圆心坐标以后，在按下S4 时，就会让画笔水平走，开始进入画圆的状态如图 2-1所示按键控制单片机电机 B 电源L298N 驱动芯片电机 A 显示模块名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 18 页 -8 图 2-1 按键控制2.2 L298N 驱动该芯片驱动，主要靠单片机来控制ENA 和 ENB 为该芯片的使能端，控制电机的停转，当 ENA接高电平时，输入一高一低电平时，电机正转或反转同为低电平时，电机停止，同为高电平时，电机刹停。

当ENA接低电平时，输入电平对电机控制起作用，在此次设计中，端口ENA接高电平当单片机的P1.0 输出高电平，P1.1输出低电平时，P1.2 和 P1.3 输出高电平时，相应的 L298N的 OUT1,OUT3和 OUT4 输出高电平，OUT2 输出低电平，电机 M正转，当 P1.0 和 P1.1 输出高电平时，而 P1.2 和 P1.3 输出一高一低时，电机M反转当 L298N芯片的 5 脚和 7脚是一低一高的输入时，10脚和 12 脚的电平必须一致，假如不一致，电机M同时进行正反转，会损坏电机图 2-2 驱动模块名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 18 页 -9 2.3 显示模块当单片机开始工作，显示模块就开始工作，当按下按键定坐标时，每按一下按键，液晶屏上数字就会发生改变，当画笔开始工作，液晶屏上就开始计时，显示画一个圆的时间，还可以显示画圆的轨迹，实现画板与液晶屏同步显示显示模块如图 2-3-1 所示图 2-3 显示模块名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 18 页 -10 3理论分析与计算本设计是用单片机来控制两个步进电机，两电机控制自己的线长实现悬挂物体的移动，把两个滑轮看做成一个点，我们先把两线的交点设为A点，设 A的坐标为（a，b），设右侧的滑轮为B点，B点的坐标为（95，,115），设左侧的滑轮为点 C，C点的坐标为（-15,115），设左侧 AC的距离为 x，设右侧 BC的距离 y，我们要知道 A的运动轨迹，我们需要求出想，x 和 y 的长度，其点如图 3-1 所示，我们根据两点间的距离公式可得：x2=（95-a）2+（115-b）2 y2=(a+15)2 +(115-b)2图 3-1 坐标图80cm100cm15cm15cm15cm原点15cm名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 18 页 -11 我们求出来 x 和 y 的大小，我们用坐标所对应长度做差，我们就可以知道电机运动所需的绳长和转动方向，就可以通过单片机来驱动电机，实现悬挂物体的精确定位。

反过来当我知道x 和 y 的长度时，我们就可以知道当时那点的坐标，可以通过液晶屏进行显示，这样就可以实现题目要求，实现坐标显示圆的生成做法本系统画圆采用极坐标法实现x=xc+rcos；y=yc+rsin 当从 0 到 2变化时，就可以求出圆上360 个点的坐标，利用圆周坐标的对称性，次算法海可以简化，将圆周分为 8 个象限，只要将第一象限中的圆周光栅点求出，其余 7 个象限可以利用对称法则求出名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 18 页 -12 4程序流程图4.1 主程序流程框图图 4-1 主程序流程图初始化开始判 断 是 否有 按 键 按NO YES 设置是否确实返回模式定点运动画圆设点运动NO Yes 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 18 页 -13 5调试5.1 按键调试通过按键设置（0,0）到（80,100）之间的点的任意一点的坐标设置，在看LCD液晶屏上的坐标进行比较，结果准确，准确率达到100%圆上点的坐标通过单片机来计算，在程序中写入计算公式，我们通过改变角度，来求出圆上各点的坐标，假设圆心的坐标为（30，30）测试值如表 4-1：表 4-1 坐标计算角度X Y 308.35 42.5 6017.5 51.65 9030 60 表中数据与软件计算的值进行比较，相差几乎为零，精确度好。

5.2 定点运动测试测试数据如表 4-2 表 4-2 定点运动测试记录次数1 2 3 设定点（30,30）（30,50）（40,55）实际点（29.6,30）（29.5,49.8）（39.7,55.4）误差 x 轴0.4,0.5 0.3 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 18 页 -14 误差 y 轴0 0.2 0.4 从测试数据来看，x 轴的都偏小，有可能是电机外面绕线太密，但误差在范围之内，模块性能优良，满足要求圆周运动测试如表5-1 所示表 5-1 圆周运动测试数据如表所示次数1 2 3 圆心（30,30）（30,30）（30,30）直径50.5 51 51.2 直径误差0.5 1 1.2 所用时间100 98 105 通过测试，实际的直径总是比理论的数值大一些，但都在误差的范围之内，我们分析误差的原因是滑轮的摩擦力和悬挂物体的绳子发生了形变，我们走完全程所用的时间远远小。