電子大賽二等獎凌陽SPCEA懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)浙江大學(xué)盧文吉李牡鋮陳金龍

1、懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)(3)作者:浙江大學(xué) 盧文吉 李牡鋮 陳金龍    來源:凌陽科技教育推廣中心   摘要：本設(shè)計采用凌陽16位單片機(jī)SPCE061A作為懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)了懸掛物體的預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動、圓周運(yùn)動、到指定點(diǎn)運(yùn)動、循跡運(yùn)動等功能。系統(tǒng)采用方向鍵盤和字符型LCM作為主要的人機(jī)接口，并以語音提示作為輔助；采用專用步進(jìn)電機(jī)控制器，保證了系統(tǒng)精度；"米"字形排列的光電開關(guān)作為循跡傳感器，實(shí)現(xiàn)對任意曲線的循跡。軟件上采用對軌跡進(jìn)行分段取點(diǎn)、鄰近點(diǎn)間逐次運(yùn)動的方式對物體進(jìn)行控制。關(guān)鍵詞：懸掛運(yùn)動，步進(jìn)電機(jī)，SPCE061A一、

2、方案論證與選擇    根據(jù)本題要求，系統(tǒng)的簡單方框圖如圖1-1所示：圖1-1 系統(tǒng)簡單方框圖    各個模塊的作用及實(shí)現(xiàn)方案比較如下：1. 單片機(jī)控制模塊    單片機(jī)控制模塊在本系統(tǒng)中處于核心地位。其工作包括處理鍵盤輸入、顯示模塊控制、響應(yīng)傳感器中斷、控制電機(jī)運(yùn)行等。對單片機(jī)控制模塊的基本要求是具有較高的速度、資源配置滿足要求。    方案1：采用MCS-51系列單片機(jī)。經(jīng)典的MCS-51單片機(jī)功能和速度有限；而高檔的MCS-51系衍生產(chǎn)品價格昂貴、冗余資源較多、使用范圍較

3、窄。    方案2：采用凌陽公司推出的SPCE061A單片機(jī)及其開發(fā)板-61板作為控制模塊。    SPCE061A的CPU時鐘為0.32MHz49.152MHz，速度可以滿足電機(jī)控制對實(shí)時性的要求，也可以滿足浮點(diǎn)運(yùn)算的要求；內(nèi)置2K Words 的SRAM，為浮點(diǎn)運(yùn)算提供了足夠的數(shù)據(jù)存儲器空間；具有7個觸鍵喚醒中段和2個外部中斷，可以滿足本系統(tǒng)中鍵盤和傳感器對外部中斷的要求；SPCE061A可以通過在線調(diào)試器Probe和EZ_Probe實(shí)現(xiàn)在線程序下載和調(diào)試，極大地提高了開發(fā)效率。此外使用凌陽公司提供的音頻函數(shù)庫和SPCE061A豐

4、富的時基中斷可以方便地實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。    鑒于SPCE061A的以上優(yōu)點(diǎn)，采用方案2。2. 鍵盤模塊    鍵盤模塊完成參數(shù)輸入功能。在本系統(tǒng)中我們參考了iPod播放器和電腦顯示器中常見的方向鍵和幾個特殊功能鍵組合完成人機(jī)交互功能，而不采用單獨(dú)的數(shù)字鍵。這樣簡化了軟硬件設(shè)計、提升了人機(jī)交互體驗(yàn)。3. 顯示模塊    完成參數(shù)和狀態(tài)顯示，要求有較大的顯示容量、占用單片機(jī)事件較少。    因?yàn)長ED數(shù)碼管顯示容量有限，且動態(tài)掃描需要占用大量單片機(jī)時間，無法做到實(shí)時顯示，所以本設(shè)

5、計中采用1602字符型LCM。1602字符型LCM克服了LED數(shù)碼管的缺點(diǎn)，具有顯示容量大、占用單片機(jī)口線少、節(jié)省單片機(jī)時間、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，完全符合本系統(tǒng)要求。4. 循線傳感器模塊    循線傳感器模塊用于實(shí)現(xiàn)沿任意黑線運(yùn)動。    采用反射式紅外光電開關(guān)來實(shí)現(xiàn)傳感器模塊的功能。為了適應(yīng)不同形狀的曲線，采用8支光電開關(guān)排列成"米"字形置于黑線上方，如圖1-2所示。當(dāng)光電開關(guān)采用此種排列方式時，無論曲線是上-下、左-右、左上-右下、右上-左下走向，均可以有兩支以上的光電開關(guān)檢測到黑線，也可以預(yù)測到曲線的走向。

6、0;   當(dāng)2、7檢測到黑線時，說明物體沿豎直線前進(jìn)；當(dāng)4、5檢測到黑線時，說明物體沿橫線前進(jìn)；當(dāng)3、7檢測到黑線時，說明曲線將向右轉(zhuǎn)；當(dāng)1、7檢測到黑線時，說明曲線將向左轉(zhuǎn)；。設(shè)物體正沿豎直直線前進(jìn)，當(dāng)斷線時，則2檢測不到黑線，7檢測到黑線，此時只要控制物體繼續(xù)前進(jìn)，就可以越過斷線繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)?shù)竭_(dá)曲線盡頭，2檢測不到黑線，7檢測到黑線（與遇到斷線時情況相同），此時控制物體繼續(xù)前進(jìn)，直到7也檢測不到黑線，這時表明曲線已經(jīng)走完，控制物體停止前進(jìn)即可。圖1-2 "米"字形排列的光電傳感器5. 位置傳感模塊    位置傳感模塊用于

7、實(shí)現(xiàn)"顯示畫筆位置"的功能。對于這個模塊可以有硬件和軟件兩類解決方案。    方案1：在物體上安裝水平和垂直方向的兩只激光筆，在板邊緣每條坐標(biāo)線旁邊安裝一光電傳感器，物體坐標(biāo)所在處的傳感器接收到激光筆，即可確定物體位置?？梢姳痉桨腹残枰?80個光電傳感器，造成此方案幾乎不可實(shí)現(xiàn)。    方案2：采用軟件的方法確定物體位置。單片機(jī)控制物體從某個已知的坐標(biāo)位置出發(fā)，并且記錄步進(jìn)電機(jī)的每一次移動情況，就可以通過一定的算法計算出物體的位置。這種方案沒有位置傳感器，精度較低，但是系統(tǒng)簡單。避免了硬件方案過于復(fù)雜的缺點(diǎn)。

8、60;   本設(shè)計使用方案2。6. 電機(jī)驅(qū)動模塊    電機(jī)驅(qū)動模塊是本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于控制懸掛物體的運(yùn)動。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中未設(shè)置位置傳感器，系統(tǒng)對位置的定位完全靠軟件來實(shí)現(xiàn)，這就要求電機(jī)的控制精度必須要高。    方案1：采用普通小型直流電機(jī)。普通直流電機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)的限制，控制精度很低，無法達(dá)到系統(tǒng)要求的指標(biāo)，這里不予采用。    方案2：采用專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及與其配套的步進(jìn)電機(jī)。用這種方案的控制精度、效率和可靠性都很高。唯一的缺點(diǎn)是價格較高。   

9、; 本設(shè)計使用方案2。7. 電源模塊    電源模塊為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、循跡傳感器等提供電源。對電源模塊的基本要求是具有系統(tǒng)要求的電壓輸出和足夠的容量，散熱條件良好。    本設(shè)計采用7812和7912構(gòu)成±12V輸出并串聯(lián)構(gòu)成+24V輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器提供電源；采用7805構(gòu)成+5V輸出給傳感器等電路供電；61板由外接電池盒供電，以獲得較高的穩(wěn)定度。    通過以上論證和選擇，我們最終確定系統(tǒng)詳細(xì)方框圖如圖1-3所示。圖1-3 系統(tǒng)的詳細(xì)方框圖二、電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)1. 鍵盤模塊 

10、60;  電路原理圖如圖2-1。圖2-1 鍵盤模塊原理圖    鍵盤模塊包括Key_Up、Key_Down、Key_Left、Key_Right 4個方向鍵和Key_Ack、Key_INT 2個特殊功能鍵。Key_Ack用于確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)；Key_INT用于啟動鍵盤掃描程序；Key_Up、Key_Down用于調(diào)整數(shù)值；Key_Left用于狀態(tài)的切換；Key_Right用于調(diào)整坐標(biāo)點(diǎn)；Key_Sel用于選擇需要調(diào)整的位。2. 顯示模塊    顯示模塊的電路原理圖如下：圖2-2 顯示模塊原理圖   

11、液晶顯示模塊選用HS162-4型LCM。將8位數(shù)據(jù)線連接到SPCE061A的A口高8位；控制線RS、RW、E分別連接到IOB15、IOB14、IOB13；另外用IOB12通過一支三極管控制背光的開關(guān)；顯示亮度由連接到3腳的可調(diào)電阻控制。3. 循線傳感器模塊    循線傳感器模塊的原理圖如下：圖2-3 循線傳感器模塊原理圖    當(dāng)8個反射式光電開關(guān)位于黑線之上，光電開關(guān)輸出高電平；反之，輸出低電平。將電平輸出到比較器LM339的正輸入端；LM339的負(fù)輸入端連接到可調(diào)電阻上用于設(shè)置比較器的閾值電壓；比較結(jié)果輸出到SPCE061A的A口

12、低8位。4. 電機(jī)驅(qū)動模塊本系統(tǒng)中采用HB202M型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器，控制57BYG型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。該驅(qū)動器的外部接線功能描述如下表格所示：端子標(biāo)記功能說明CP+步進(jìn)脈沖正輸入端光耦開通有效，最小脈寬2SCP-步進(jìn)脈沖負(fù)輸入端CW+方向控制正輸入端光耦關(guān)斷時為正轉(zhuǎn)，開通時為反轉(zhuǎn)CW-方向控制負(fù)輸入端FREE+脫機(jī)控制正輸入端光耦導(dǎo)通時驅(qū)動器輸出電流為0，電機(jī)無鎖定轉(zhuǎn)矩FREE-脫機(jī)控制負(fù)輸入端AA相頭輸出 /AA相尾輸出 BB相頭輸出 /BB相尾輸出 +24V電源輸入額定電壓DC24V/2A0VHB202驅(qū)動器上帶有三個開關(guān)，用于選擇不

13、同的細(xì)分模式，本系統(tǒng)選用（1 2 3）101這種模式，每拍轉(zhuǎn)過的角度為360o/50/80.9o 。連線如下圖所示：圖2-4 電機(jī)驅(qū)動模塊原理圖5. 電源模塊    電源模塊電路如下： 圖2-5 電源模塊原理圖三、軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)    本系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是電機(jī)運(yùn)動控制、循線傳感器檢測、模式與參數(shù)控制、語音提示等。1.電機(jī)運(yùn)動控制    電機(jī)運(yùn)動控制是本系統(tǒng)的核心程序。本系統(tǒng)沒有位置傳感器，這對電機(jī)控制的精度提出了很高的要求。    電機(jī)運(yùn)動控制程序的基本思路是控制

14、兩個電機(jī)在兩個相近點(diǎn)之間的運(yùn)動來合成各種軌跡，即把要走的軌跡分割成一定數(shù)量的點(diǎn)，只要兩點(diǎn)之間的距離合適，就可以通過電機(jī)在這些相鄰點(diǎn)之間的運(yùn)動合成各種軌跡。    電機(jī)在兩點(diǎn)之間的運(yùn)動的步驟如下：    1 分別計算電機(jī)位于當(dāng)前點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)時，左右拉線的長度。這就必須在電機(jī)開始運(yùn)動之前，將起始點(diǎn)的位置輸入到單片機(jī)中。計算拉線長度,L2=Lx2+Ly2+Lz2；其中L為定滑輪與物體之間拉線的長度；Lx 、Ly、Lz分別為定滑輪與物體之間的橫向、縱向、垂直（與板面）距離。每走一個點(diǎn)需要計算一次距離，且為浮點(diǎn)開平方等運(yùn)算，速度比較慢，故走兩點(diǎn)之

15、間的時間間隔會比較大，可能使線呈波浪形。但是由于凌陽單片機(jī)速度較快，對物體運(yùn)動速度要求不高，仍然可以滿足題目要求。    2 根據(jù)兩個拉線的長度，得到左右電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向與步數(shù)。電機(jī)轉(zhuǎn)動的步驟需要根據(jù)定滑輪半徑、電機(jī)繞線輪半徑來調(diào)整。    3 單片機(jī)輸出所需的方向控制電平和步進(jìn)脈沖。    對于設(shè)定的曲線，先建立其分割后各點(diǎn)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的一維數(shù)組，使電機(jī)依次走過相鄰的兩點(diǎn)。Motor()實(shí)現(xiàn)對電機(jī)兩點(diǎn)之間的控制：實(shí)現(xiàn)物體各種路線運(yùn)動的流程圖： 2.循線傳感器檢測 

16、0;  為了精確定位，采用了8個"米"字形排列傳感器，連到A口的低8位。根據(jù)8個傳感器對黑線檢測的不同情況控制電機(jī)的運(yùn)動狀況。    本方案重點(diǎn)在于根據(jù)傳感器得到的信息來推斷下一個點(diǎn)于當(dāng)前點(diǎn)的相對位置。由定位函數(shù)Orientation( )實(shí)現(xiàn)。循跡的主要困難在于軌跡曲線角度的多樣性，我們安排了8個傳感器以保證全方位的檢測，但同時也使檢測結(jié)果呈現(xiàn)多樣性，軟件設(shè)計時很難窮盡所有情況。我們采取了以下措施：首先判斷方向明確的情況，比如當(dāng)4，5兩個傳感器壓黑線時，說明此時的曲線基本處在水平方向，因此，不管其他傳感器是否壓線，物體都將水平運(yùn)動一

17、段距離。類似的還有：當(dāng)3、6壓線時斜向上45度運(yùn)動；1、8壓線時斜向下45度運(yùn)動；2、7沿線時有兩種情況，向上或向下運(yùn)動，具體情況可根據(jù)以前狀態(tài)的總體趨勢來判定，本軟件中設(shè)置了標(biāo)志位作為判斷依據(jù)；所有傳感器均檢測不到黑線時，說明已經(jīng)走到曲線盡頭，電機(jī)停止。除了以上幾種情況外，其他的一些特殊情況可在實(shí)驗(yàn)中測定，然后在軟件中列成類似真值表的形式，用于判斷具體運(yùn)動趨勢。判斷電機(jī)運(yùn)動趨勢的函數(shù)為：Orientation（ ）；3.模式切換與參數(shù)調(diào)整及顯示    模式與參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在各種軌跡運(yùn)行模式之間的切換及其相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整及顯示。通過掃描按鍵的值，對不同的鍵值設(shè)置為

18、相應(yīng)的狀態(tài)。4.語音提示    語音函數(shù)庫是凌陽公司為其系列產(chǎn)品提供的一組錄放音及語音識別API函數(shù)，是凌陽系列MCU的特色之一。這些函數(shù)庫使得在凌陽單片機(jī)中使用語音變成了一件及其容易的事情。    本設(shè)計中實(shí)現(xiàn)了對設(shè)定模式、運(yùn)行狀態(tài)、坐標(biāo)位置、運(yùn)行時間的自動語音提示。語音提示功能是對本系統(tǒng)人機(jī)交互功能的有益補(bǔ)充，為本系統(tǒng)增色不少。四、系統(tǒng)調(diào)整與測試1. 測試方法及結(jié)果1）基本要求2：控制物體作自行設(shè)定的運(yùn)動 測試方法：設(shè)定為系統(tǒng)沿正弦曲線運(yùn)動模式，正弦曲線峰值40cm，水平長度62cm。測試次數(shù)起點(diǎn)位置關(guān)鍵點(diǎn)位置終點(diǎn)總計耗

19、時最高點(diǎn)最低點(diǎn)過零點(diǎn)1（0，30）（15，51）（47.5，10）（31，30）（64.5，31）26s2（0，70）（16，91.8）（43.5，50）（32.5，70）（62.5，71.2）26s2）基本要求3：控制物體作圓周運(yùn)動 測試方法：設(shè)定好圓心（XO，YO）位置，手動將物體放置在（XO+25，YO）點(diǎn)，啟動運(yùn)行。 測試數(shù)據(jù)如下表：測試次數(shù)圓心坐標(biāo)起點(diǎn)位置關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)測終點(diǎn)坐標(biāo)總計耗時最左點(diǎn)最上點(diǎn)最下點(diǎn)1（50，50）（75，50）（24，50）（50，75.5）（50，24.6）（74.5，49.5）37s2（40，50）（65，50）（13，50）（40，75

20、）（40，25）（64.5，50）37s3（35，65）（60，65）（7.5，65）（33，90）（34.39）（59.5，64.8）36s3）基本要求4：控制物體作從坐標(biāo)原點(diǎn)到任意坐標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動 測試方法：手動將物體放置在原點(diǎn)處，通過單片機(jī)設(shè)定系統(tǒng)工作于本模式，并設(shè)定好終點(diǎn)坐標(biāo)，啟動運(yùn)行。 測試數(shù)據(jù)如下表：測試次數(shù)設(shè)定終點(diǎn)目標(biāo)實(shí)測終點(diǎn)目標(biāo)最大誤差耗時總計1（70，40）（71，42）<2cm15s2（70，80）（70.2，80.5）<1cm14s3（20，80）（19，80）<2cm16s測試的結(jié)果表明本系統(tǒng)已具備了控制物體按直線運(yùn)動的能力，并且誤差在要求的范圍以內(nèi)（<4cm），時間也在要求范圍以內(nèi)。  &#