懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)語音播報(bào)系統(tǒng)方案

1、 . . . 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)05電子大賽一等獎(jiǎng)：凌陽科技教育推廣中心 航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校（新釗 胡春雷 錢建松） 發(fā)布時(shí)間：2006-4-21 15:56:14 摘  要：本系統(tǒng)以凌陽16位單片機(jī)SPCE061A為控制核心,通過所需運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的參數(shù)方程,建立運(yùn)動(dòng)控制模型,按照算法對(duì)兩組驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了懸掛畫筆在給定的圍的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、任意曲線運(yùn)動(dòng)以與圓心可任意設(shè)定的圓周運(yùn)動(dòng)等功能，不僅完成了發(fā)揮部分要求,利用SPCE061A強(qiáng)大的語音處理功能，還增加了語音播放功能。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 運(yùn)動(dòng)控制模型 智能算法 步進(jìn)電機(jī)一、 方案論證根據(jù)題目的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)

2、勾畫設(shè)定軌跡和對(duì)設(shè)定軌跡的搜尋功能，并能實(shí)時(shí)的顯示物體中畫筆所在位置坐標(biāo)。其系統(tǒng)方案框圖如圖1.1所示。為實(shí)現(xiàn)各模塊功能，提出了幾種設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行論證。圖1.1 系統(tǒng)方案框圖1、控制器模塊方案一：采用傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的運(yùn)算速度越快，運(yùn)動(dòng)軌跡精度越高，所以對(duì)單片機(jī)的執(zhí)行速度有較高的要求；又由于本系統(tǒng)程序量較大，使用的I/O口資源較多，對(duì)于51來說，實(shí)現(xiàn)這些功能都比較困難。方案二：采用凌陽16位單片機(jī)SPCE061A作為控制核心。與51相比，SPCE061A具有更加豐富的資源：具有32個(gè)可編程的I/O口，14個(gè)中斷源；CPU的工作時(shí)鐘頻率可以高達(dá)49.152M

3、HZ，可以更好地滿足本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求；獨(dú)特的語音功能可使本系統(tǒng)具有更好的人機(jī)交互界面。 綜上分析，選擇方案二。2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在本設(shè)計(jì)中，主控制器通過對(duì)電機(jī)的步進(jìn)數(shù)控制來實(shí)現(xiàn)物體的運(yùn)動(dòng)，從而作出各種運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)計(jì)思想是將物體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為拉線的伸縮，最終將伸縮量轉(zhuǎn)化為電機(jī)的步數(shù)，從便于軟件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，采用了57BYG系列兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為被控電機(jī)，這種具有較高的控制精度，速度的可控性好，制動(dòng)性強(qiáng)。其驅(qū)動(dòng)方案如下：采用微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊，微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊是由微控制器外接D/A轉(zhuǎn)換器與光耦隔離電路組成的，它可以產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)所需的相序脈沖。系統(tǒng)單片機(jī)只需提供電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖，其

4、硬件連接簡單，程序易編寫，且節(jié)省I/O口。所以本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路。3、語音模塊由于本設(shè)計(jì)采用的控制芯片是凌陽SPCE061A單片機(jī)，該芯片本身具有語音功能，所以本系統(tǒng)只需利用SPCE061A為核心的精簡開發(fā)板，就可以實(shí)現(xiàn)語音功能，不需再做專門的語音模塊。4、尋跡模塊方案一：采用熱探測(cè)器。由于溫度變化是因?yàn)槲諢崮茌椛淠芰恳鸬?，與吸收紅外輻射的波長沒有關(guān)系，即對(duì)紅外輻射吸收沒有波長的選擇，因此受外界環(huán)境影響比較大。方案二、采用單光束反射取樣式光電傳感器ST178作為敏感元件，利用紅外線對(duì)不同顏色的反射系數(shù)不同而產(chǎn)生強(qiáng)弱電流信號(hào)，所以受外界環(huán)境的影響比較小，抗干擾性比較強(qiáng)?；谝陨?/p>

5、兩種方案比較，采用方案二。二、 詳細(xì)軟硬件設(shè)計(jì)1、硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路連接與硬件資源分配本系統(tǒng)硬件電路連接圖見圖2.1。圖2.1  系統(tǒng)電路連接圖SPCE061A的硬件資源分配見表2.1。表2.1  SPCE061A單片機(jī)硬件資源分配表I/O 口資源使用情況 使用 IOA10 ： 0 用于 LCD 液晶顯示 IOA14 ： 11 用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 IOB7 ： 0 用于 4 × 4 矩陣式鍵盤IOB11 ： 8 用于傳感器光電檢測(cè) Timer 使用情況 TimerA 未使用 TimerB 未使用 中斷使用情況 FIQ ：語音播放中斷服務(wù)程序 尋軌跡控制策略根

6、據(jù)題目的要求，懸掛物沿曲線運(yùn)動(dòng)的軌跡分為兩段，連續(xù)段和間斷段?？刹捎?個(gè)光電傳感器作為檢測(cè)元件，其放置方式如圖2.2所示。圖2.2  4個(gè)光電傳感器放置方式在連續(xù)段尋跡時(shí)，通過判斷四個(gè)傳感器的16種組合狀態(tài)，使電機(jī)作出相應(yīng)的伸縮動(dòng)作。當(dāng)軌跡為間斷線時(shí)，電機(jī)拉動(dòng)傳感器在大角度方向位移，直到在某一方向檢測(cè)到新的黑線為止。然后再調(diào)用連續(xù)段的尋跡程序。系統(tǒng)各模塊單元電路設(shè)計(jì)（1） 電源部分電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中使用了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其額定工作電流達(dá)到2.0A，而W78××系列組件，最大輸出電流為1.5A，因此電路中采用了外接大功率三極管C5297來擴(kuò)大電流輸出圍，其電路如圖

7、2.3所示。在7815的輸出極加上大功率三極管，擴(kuò)流后的電流為Io=Io+Ic上式中Io是7815的輸出端電流，Ic為三極管集電極電流。擴(kuò)大后的電流達(dá)到2.0A以上，滿足系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的要求。圖2.3  電源電路（2）語音播報(bào)模塊設(shè)計(jì)凌陽SPCE061A單片機(jī)自帶雙通道DAC音頻輸出，DAC1、DAC2轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流信號(hào)分別通過AUD1和AUD2管腳輸出，DAC輸出為電流型輸出，經(jīng)LM396音頻放大，即可驅(qū)動(dòng)喇叭放音。放大電路如圖2.4所示。圖2.4  語音播報(bào)電路（3）尋跡部分電路設(shè)計(jì)根據(jù)題目的要求，懸掛物體要沿著黑線運(yùn)行，采用反射式光電傳感器進(jìn)行探測(cè)。光電傳感器

8、的硬件設(shè)計(jì)如圖2.5所示。電壓比較器LM393的同相輸入in拉低，輸出為低電平。當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，接收管截止，同相輸入in為高，比較器輸出為高電平。本系統(tǒng)中四個(gè)傳感器的的OUT分別連接IOB8IOB11。圖2.5  尋跡電路（4） 顯示模塊設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，利用通用的液晶1602作為顯示模塊實(shí)時(shí)顯示尋跡或者定點(diǎn)的坐標(biāo)。液晶1602的技術(shù)參數(shù)為：顯示容量：32個(gè)字符，每個(gè)字符為5×7點(diǎn)陣，分2行，每行16列芯片工作電壓：4.5-5.5V工作電流：2mA（5.0V）模塊最佳工作電壓：5.0V字符尺寸：2.95×4.35（W×H）mm其典型應(yīng)用接口圖如圖2.6。本系

9、統(tǒng)中DB0DB7連接SPCE061A的IOA0IOA7，EP連接IOA8，R/W連接IOA9，RS連接IOA10。圖2.6  1602與單片機(jī)典型接口（5） 鍵盤模塊電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了標(biāo)準(zhǔn)的4×4鍵盤，其電路原理圖如圖2.7。圖中C1C4為4×4鍵盤的列信號(hào)，L1L4為4×4鍵盤的行信號(hào)。在本系統(tǒng)中，用IOB4IOB7連接鍵盤的列信號(hào)C4C1；用IOB0IOB3連接鍵盤的行信號(hào)L4L1。圖2.7  4×4鍵盤電路原理圖在本系統(tǒng)中，S1S3、S5S7、S9S11、S13為數(shù)字鍵，如圖2.8，S4、S8、S12、S14S

10、16為功能鍵。圖2.8  4×4鍵盤功能圖2、軟件設(shè)計(jì)理論分析與計(jì)算1、位移/脈沖轉(zhuǎn)換方法：給步進(jìn)電機(jī)一定頻率的脈沖，使電機(jī)拖動(dòng)一載體移位100cm，記錄下此期間所給脈沖總數(shù)z, 由此則步進(jìn)電機(jī)拉動(dòng)載體位移1mm所需的脈沖數(shù)(注意給定的頻率不要太高，否則會(huì)出現(xiàn)丟步。多測(cè)幾次，取脈沖數(shù)相近的那個(gè)脈沖數(shù)z),因此，直接可將拉線的位移轉(zhuǎn)化為送給電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)。脈沖的頻率決定轉(zhuǎn)速，脈沖個(gè)數(shù)決定位移。2、點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)核心算法：結(jié)合圖2.9說明，假設(shè)E（x0,y0）,F(x1,y1)為給定平面圍上的任意兩點(diǎn)，作輔助線（圖中虛線部分），在直角三角形ABE中   

11、;    a0=;在直角三角形CDE中:b0= 同理對(duì)于F點(diǎn)，兩拉線長分別為：a1=b1= 因此當(dāng)懸掛物從E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到F點(diǎn)時(shí)：    電機(jī)1的收放線長度為c（當(dāng)c<0，電機(jī)正轉(zhuǎn)（或拉線伸長）；c>0時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)（或拉線收縮）c=a0-a1    電機(jī)2的收放線長度為d（當(dāng)d<0，電機(jī)反轉(zhuǎn)（或拉線收縮），當(dāng)d>0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)（或拉線伸長）d=d0-d1根據(jù)c，d的正負(fù)分別確定電機(jī)1，電機(jī)2的正反轉(zhuǎn)向。而根據(jù)c，d 的絕對(duì)值來確定電機(jī)1，電機(jī)2各自所需的脈沖數(shù)：電機(jī)1所分配的脈沖數(shù)：m=

12、×p電機(jī)2所分配的脈沖數(shù)：n=×p圖2.9  點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖3、誤差補(bǔ)償：為了使運(yùn)動(dòng)軌跡更加平滑，采用按比例分配脈沖的原則進(jìn)行交替送脈沖，電機(jī)2所運(yùn)行的脈沖數(shù)是電機(jī)1所運(yùn)行的脈沖數(shù)的倍，因此電機(jī)1每運(yùn)行t個(gè)脈沖，電機(jī)2就需要運(yùn)行×t個(gè)脈沖，該算法可能會(huì)造成電機(jī)2所送的脈沖數(shù)與理論計(jì)算脈沖數(shù)稍有偏差，因此加入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償程序，使得所運(yùn)行軌跡精度更高，曲線更平滑。4、數(shù)學(xué)模型：本設(shè)計(jì)要求懸掛物能夠畫一個(gè)圓，設(shè)所畫圓的圓心坐標(biāo)為（x0,y0）半徑為固定的25cm，（x,y）為圓周上的任意一點(diǎn)，由此確定圓的方程為： (x-x0)2+(y-y0)2=252若直接使

13、用該方程來求圓上點(diǎn)的坐標(biāo)，算法比較復(fù)雜，采用了圓的參數(shù)方程：X=x0+25sint；Y=y0+25cost；  (x0,y0)為圓心坐標(biāo)這樣，則圓的坐標(biāo)僅與參數(shù)t有關(guān)，因此，使角度t以某一設(shè)定的角度步長v累加，使t+q×v在周期t,t+2變化，其中q為累加步數(shù)。這樣就可以采樣到圓上均勻的點(diǎn)，顯然，角度步長v越小，在圓周上取得點(diǎn)越多，控制也會(huì)更精確。程序流程（1）主程序本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用凌陽'n SP的匯編語言與C語言交叉使用，可固化、可剪裁，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖2.10所示：圖2.10  主程序流程圖（2）定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)子程序通過

14、對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，使懸掛物從初始位置運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)流程圖如圖2.11所示：圖2.11  定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)子程序流程圖（3） 畫圓子程序根據(jù)圓的參數(shù)方程的計(jì)算圓上點(diǎn)的坐標(biāo)，通過調(diào)用定點(diǎn)程序來實(shí)現(xiàn)，畫圓程序流程圖如圖2.12所示。圖2.12  畫圓子程序流程圖（4） 尋跡子程序通過判斷傳感器的不同狀態(tài)值，作出相應(yīng)的處理動(dòng)作，當(dāng)遇到斷點(diǎn)時(shí)，多角度檢測(cè)下段的黑線，直到再次檢測(cè)到黑線。尋跡流程圖如圖2.13所示。圖2.13  尋跡子程序流程圖三、 測(cè)試說明1、測(cè)試指標(biāo)將設(shè)計(jì)題目所要求的各基本功能和發(fā)揮部分進(jìn)行分項(xiàng)測(cè)試。2、測(cè)試儀器測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表3.1所示。表3.1&

15、#160; 測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào) 名稱、型號(hào)、規(guī)格 數(shù)量 / 臺(tái) 備注 1 數(shù)字萬用表： VC9806 1 勝利公司 2 微機(jī)穩(wěn)壓電源： 1 啟東計(jì)算機(jī)總廠 3 雙蹤示波器 DS 5022M 1 RIGOL 4 米尺 1 - 5 秒表 1 - 2 、自行設(shè)定運(yùn)動(dòng)測(cè)試 將物體放在坐標(biāo)原點(diǎn)，控制物體作自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)距離設(shè)定為 136cm ，完成時(shí)間為 55.86s 。表 3.2 是多次測(cè)試的紀(jì)錄。 表3.2 自行設(shè)定運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù) 測(cè)試次數(shù) 1 2 3 行程 /cm 136 136 136 全程行使時(shí)間 /s 55.86 55.45 55.65 3 、圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)試 首先設(shè)定圓心坐標(biāo)，根據(jù)給定

16、半徑，單片機(jī)控制物體運(yùn)動(dòng)到畫圓的起始位置，并語音提示開始畫圓。經(jīng)測(cè)試所畫圓的最大軌跡誤差為 0.5cm ，所用時(shí)間為 48.56 秒。經(jīng)過多次測(cè)試完成良好。 表 3.3 圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)量表 測(cè)試次數(shù) / 次 設(shè)定圓心坐標(biāo)（ X ， Y ） 畫筆位置坐標(biāo)顯示情況 完成時(shí)間 /s 完成情況 誤差 /cm 其他發(fā)揮 1 40.00 ， 50.00 實(shí)時(shí)顯示 48.83 良好 0.10 語音提示 2 45.00 ， 55.00 實(shí)時(shí)顯示 48.56 良好 0.10 語音提示 3 35.00 ， 50.00 實(shí)時(shí)顯示 47.85 良好 0.10 語音提示 4 、定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)試 首先設(shè)定物體所要到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)的坐

17、標(biāo)，控制物體總左下角原點(diǎn)出發(fā)，在規(guī)定時(shí)間較好的完成了題目要求。表 3.4 是多次測(cè)試的紀(jì)錄。 表3.4 定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù) 序號(hào) 設(shè)定坐標(biāo)（ x,y ） 實(shí)際測(cè)量 誤差 /cm 完成時(shí)間 /s 其他發(fā)揮 1 45.00 ， 55.00 44.80 ， 54.80 0.200.50 22.55 語音提示 2 40.00 ， 40.00 39.80 ， 39.70 0.230.45 16.80 語音提示 3 70.00 ， 85.00 69.80 ， 84.40 0.240.38 28.33 語音提示 5 、尋跡測(cè)試 利用光電測(cè)試模塊，由單片機(jī)控制物體作任意形狀的尋跡運(yùn)動(dòng)，并能判斷間斷線段，表 3.5 為多次測(cè)試的結(jié)果。 表3.5 尋跡測(cè)量數(shù)據(jù) 序號(hào) 連續(xù)線段尋跡情況 完成時(shí)間 /s 間斷線段尋跡情況 完成時(shí)間 /s 1 完成 32.87 完成 26.28 2 完成 32.80 完成 26.31