懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽論文X題：懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)2015年8月15日懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)〔E題〕摘要本設(shè)計(jì)使用AT89S52單片機(jī)作為懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，硬件電路包含液晶顯示和鍵盤處理模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，黑線循跡檢測(cè)模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊等幾局部。液晶顯示屏負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)狀態(tài)和控制命令，調(diào)試時(shí)還可以方便的顯示每個(gè)紅外傳感器的狀態(tài)；鍵盤接收輸入的控制指令；電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用脈寬調(diào)制技術(shù)，可靈活方便地控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)；反射式紅外傳感器模塊在循跡時(shí)檢測(cè)引導(dǎo)黑線；數(shù)據(jù)傳輸模塊上的AT89C2051單片機(jī)將紅外傳感器狀態(tài)信息通過串行口傳送至AT89S52控制核心，使之能根據(jù)程序算法驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)懸掛物按要求運(yùn)動(dòng)并同時(shí)顯示各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，脈寬調(diào)制，紅外傳感器，循跡，算法AbstractInthisdesign,thecontrolkernelofthishangingmovementsystemisbasedonaMCUchipAT89S52.Theholehardwarecircuitiscomposedofthefollowingmodules:LCDdisplayandkeyboardmodule,stepmotorsdrivemodule,trackdetectingmoduleanddatatransfermodule.TheLCDdisplayssystemstatus,commandandalsothestatusofinfraredsensorswhendebugging.Thekeyboardreceivesuser’scommand.ThemotorsdrivemoduleadoptsPWMtechnologytocontrolmotors’statusflexiblyandconveniently.Thereflectinginfraredsensorsdetectblacklineswhentracking.TheAT89C2051onthedatatransfermoduletransfersdatatoAT89S52throughUARTsoastomakemotorsworkproperlyaccordingtoprogramalgorithmanddisplaystatusdataneeded.Keywords:stepmotor，PWM，infraredsensor，tracking，algorithm一、方案論證及比擬1、電機(jī)的選擇和論證方案一：采用普通直流電機(jī)。普通直流電機(jī)在合理范圍內(nèi)加不同的直流工作電壓就有不同的轉(zhuǎn)速，易于實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，功耗較低，轉(zhuǎn)速變化平滑，但制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)控制不夠靈活且響應(yīng)慢，轉(zhuǎn)換精度不高。方案二：采用矢量控制的交流電機(jī)?；谧鴺?biāo)交換的交流電機(jī)矢量控制使交流電機(jī)調(diào)速到達(dá)并超過傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能；直接轉(zhuǎn)矩控制〔DTC〕的交流電機(jī)調(diào)速控制具有DTC與脈寬調(diào)制PWM技術(shù)并用以及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。但電機(jī)本身難于購置，其驅(qū)動(dòng)對(duì)本設(shè)計(jì)而言也過于復(fù)雜。方案三：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)那么轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，而且步進(jìn)電機(jī)有轉(zhuǎn)換精度高，并能快速啟停和正反轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，使得步進(jìn)電機(jī)非常適合在各控制領(lǐng)域使用。方案四：采用直流齒輪電機(jī)。直流齒輪電機(jī)轉(zhuǎn)速平緩、負(fù)載能力強(qiáng)、正反轉(zhuǎn)靈活。但是轉(zhuǎn)換精度很難滿足要求。因此，根據(jù)需要，我們選擇了方案三，采用步進(jìn)電機(jī)。2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇和論證步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定，因此非常適合于單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)根本原理為：(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C-D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C,D相的通斷。(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，那么電機(jī)就反轉(zhuǎn)。(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對(duì)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)為四相六線制步進(jìn)電機(jī)，具有功率大，步進(jìn)角小的優(yōu)點(diǎn)。方案一：使用多個(gè)功率放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，到達(dá)不同的放大要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進(jìn)電機(jī)，就需要對(duì)四路信號(hào)分別進(jìn)行放大，放大電路參數(shù)很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)運(yùn)行不穩(wěn)定，而且電路的制作也比擬復(fù)雜。方案二：使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。L298N可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，或驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接用單片機(jī)的I/O口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比擬方便。但是我們?cè)诒镜貨]有買到此芯片。方案三：使用數(shù)字電位器和三極管驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。但數(shù)字電位器的價(jià)格昂貴，外界干擾大，整體驅(qū)動(dòng)能力弱。方案四：采用繼電器進(jìn)行電機(jī)調(diào)速，單片機(jī)通過調(diào)整繼電器開關(guān)的速度從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度的調(diào)整。這種電路雖然簡(jiǎn)單，但是繼電器是機(jī)械觸點(diǎn)，反響速度慢，工作電流大，可靠性差。方案五：使用分立元件H型PWM電路。該電路每個(gè)電機(jī)由四個(gè)大功率達(dá)林頓晶體管TIP122驅(qū)動(dòng)，分為兩組，交替導(dǎo)通或截止。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，輪流給四路驅(qū)動(dòng)脈沖，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，這種電路工作穩(wěn)定，效率高，反響速度快，是廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。通過比擬，我們選用了方案五，并且將控制電路和驅(qū)動(dòng)功率管用光耦進(jìn)行隔離，進(jìn)一步提高了電路的穩(wěn)定性。3、物體運(yùn)動(dòng)距離檢測(cè)的選擇和論證方案一：采用霍耳元件芯片。這種芯片內(nèi)部由三片霍耳元件組成，在滑輪的邊緣處安裝磁片，當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，由于霍耳效應(yīng)，可以產(chǎn)生電流的變化，對(duì)此脈沖加以判斷，通過對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行距離檢測(cè)。但是此種方法由于本設(shè)計(jì)的滑輪很小，安裝十分困難，并且監(jiān)測(cè)的精度不夠高。圖1-1用電阻絲和A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行距離監(jiān)測(cè)方案圖方案二：采用電阻絲和A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行距離監(jiān)測(cè)。原理如圖1-1，把直徑均勻，電阻率較大的電阻絲接在電源上，那么電阻絲的一端到另一端的電壓是逐級(jí)變化的，把滑動(dòng)接觸探頭P固定在細(xì)線上使之隨細(xì)線上下滑動(dòng)并把采集到的電壓傳送給A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器再把采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此方案雖然可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)線運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度，但程序煩瑣，硬件安裝十分困難，測(cè)量精度不夠并且很容易受各種外界環(huán)境的影響。方案三：采用光電碼盤進(jìn)行檢測(cè)。把光電碼盤固定在滑輪的軸上，滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤上有許多狹縫，碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)射光透過狹縫被接收光敏器件接收。用計(jì)數(shù)器對(duì)光敏器件輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并換算成距離。這種方案同樣安裝困難，效果差強(qiáng)人意。方案四：檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)再根據(jù)電機(jī)直徑換算成運(yùn)動(dòng)距離。此方法實(shí)現(xiàn)方便，經(jīng)過屢次實(shí)際測(cè)量證明此方案可以很好的到達(dá)題目的要求，誤差也可以控制在要求之內(nèi)，效果很好?；谝陨戏治?，我們選定方案四。4、循跡黑線檢測(cè)方案的選擇和論證循跡黑線檢測(cè)的根本原理是：光線照射到板面并反射，黑線和白紙對(duì)光的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷黑線。可實(shí)現(xiàn)的方案有以下幾種：方案一：采用光敏三極管和發(fā)光二極管組成的發(fā)射接收方案，如圖1-2。該方案在實(shí)際使用時(shí)，受外界光線的影響大，一旦外界光強(qiáng)改變就很容易漏判和誤判。雖然可加大發(fā)光二極管的亮度減弱外界光的干擾，但是效果仍然不佳并增加了系統(tǒng)的功耗。圖1-2發(fā)光二極管和光敏三極管檢測(cè)黑線電路圖方案二：使用反射式紅外線收發(fā)器。采用紅外線收發(fā)器可大幅度減少外界光線干擾。在試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)它對(duì)黑白、深淺色物體檢測(cè)效果很好，反響速度很快并且靈敏度可調(diào)。此方案具有受外界光線干擾小，外圍電路簡(jiǎn)單，反響速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。方案三：采用CCD攝像頭把黑線的信息收集起來再用單片機(jī)對(duì)其分析處理，此種方法對(duì)路面信息處理準(zhǔn)確，但是本錢高，對(duì)硬件和軟件的要求很高，短時(shí)間內(nèi)很難完成制作。比擬以上方案，方案二更適合本系統(tǒng)，其電路簡(jiǎn)單、功耗小、軟件也易于實(shí)現(xiàn)，因此選擇方案二。在具體實(shí)施過程中考慮到此檢測(cè)電路必須安裝在移動(dòng)的懸掛物體上，為進(jìn)一步增加檢測(cè)的抗干擾能力，我們還參加了施密特觸發(fā)器74HC14進(jìn)行整形。5、電源方案的選擇和論證方案一：采用電池組供電。但本設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)功耗較大，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，電池的電量會(huì)很快減少，很快將影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。方案二：采用單組穩(wěn)壓電源供電。用一組穩(wěn)壓電源作為整個(gè)系統(tǒng)的電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制模塊共用一個(gè)電源。這樣雖然電源的接口簡(jiǎn)單但是由于電機(jī)功耗較大，啟停、正反轉(zhuǎn)的瞬間電流更大，必將影響系統(tǒng)的正常工作。方案三：采用兩組穩(wěn)壓電源供電。用兩組獨(dú)立電源分別給電機(jī)驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)單獨(dú)供電。這樣可以將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜上所述我們采用方案三。6、顯示模塊的選擇和論證方案一：采用八位LED數(shù)碼管顯示。此方案軟件簡(jiǎn)單，但是LED數(shù)碼管耗電量大，驅(qū)動(dòng)它們所需的單片機(jī)I/0口太多，并且只能顯示有限的數(shù)字和字符，不能滿足題目的要求。方案二：采用VFD熒光顯示。此種顯示響應(yīng)速度快，字符明亮美觀，無需背光，但需要負(fù)高壓偏壓，電路驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，同樣顯示的字符數(shù)有限。方案三：采用點(diǎn)陣LCD液晶顯示。此方案耗電量小，能節(jié)省單片機(jī)很多資源，同時(shí)又可以顯示各種文字或數(shù)字，能提供良好的人機(jī)交互界面?？紤]到盡量節(jié)省能源，顯示內(nèi)容盡量豐富，以及單片機(jī)的資源有限等問題，選擇方案三。7、數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇和論證循跡時(shí)需要將和懸掛物固定在一起的紅外線探頭檢測(cè)到的循跡數(shù)據(jù)及時(shí)傳回控制中心AT89S52，以便能及時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)懸掛物準(zhǔn)確循跡。傳送此數(shù)據(jù)有以下幾個(gè)方案：方案一：采用無線數(shù)據(jù)傳輸。將發(fā)射電路置于懸掛物上，接收電路置于主控板上。它們之間無線傳輸數(shù)據(jù)。此種方案擺脫了導(dǎo)線的束縛，不增加懸掛平衡的負(fù)擔(dān)，物體能相對(duì)自由運(yùn)動(dòng)，但無線傳輸電路實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜，受外界干擾明顯，可靠性較低，短時(shí)間內(nèi)很難制作調(diào)試。方案二：采用激光數(shù)據(jù)傳輸。此方案根本不受外界干擾，但數(shù)據(jù)傳輸模塊昂貴，而且光具有強(qiáng)烈的方向性，由于懸掛物的大范圍移動(dòng)，不能保證接收模塊時(shí)刻都能接收。方案三：采用有線傳輸。此方案不受外界影響，簡(jiǎn)便易行。通過單片機(jī)的UART串行傳輸數(shù)據(jù)，只增加了3根導(dǎo)線(兩根電源線和一根數(shù)據(jù)線)，并通過適當(dāng)增加懸掛物重量，調(diào)整并固定導(dǎo)線位置等措施消除機(jī)械影響。因此，我們選擇了方案三。在實(shí)際傳輸中考慮到傳輸導(dǎo)線的長(zhǎng)度，增加了RS232電平轉(zhuǎn)換電路，如圖1-3，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在制作測(cè)試的整個(gè)過程中從沒有出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤。AT89S52MAX232AT89C2051AT89S52MAX232AT89C2051紅外傳感器MAX232VCCGNDTTL->RS232RS232->TTL懸掛物電路局部數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)接收處理圖1-3紅外傳感器和數(shù)據(jù)傳輸模塊框圖二、系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)使用AT89S52單片機(jī)作為懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，硬件電路包含液晶顯示和鍵盤處理模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，黑線循跡檢測(cè)模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊等幾局部。整個(gè)系統(tǒng)硬件框圖如圖2-1所示。其它其它局部電源鍵盤輔CPUAT89C2051紅外傳感器步進(jìn)電機(jī)電源步進(jìn)電機(jī)MAX232-2LCD顯示主CPUAT89S52MAX232-1鍵盤輔CPUAT89C2051紅外傳感器步進(jìn)電機(jī)電源步進(jìn)電機(jī)MAX232-2LCD顯示主CPUAT89S52MAX232-1圖2-1系統(tǒng)整體硬件框圖以下分軟件和硬件兩大局部具體分析。1、系統(tǒng)的硬件的設(shè)計(jì)循跡黑線檢測(cè)模塊電路這里的循跡是指懸掛物在白板上循黑線行走，采取的方法是紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體外表具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在物體循跡過程中不斷向板面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色局部時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線那么紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)以是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和物體循跡的路線。比賽時(shí)在本地沒有買到成品紅外探頭，為了到達(dá)最正確效果，我們采用市售高靈敏紅外管自制8組反射式紅外線探頭同時(shí)檢測(cè)循跡黑線，還對(duì)不同紅外收發(fā)探頭組進(jìn)行徹底隔離，使之不相互影響；單組探頭內(nèi)部的發(fā)射和接收管也進(jìn)行了隔離，保證接收管只能接收到相應(yīng)紅外發(fā)射管通過平面反射的紅外光。在沒有探測(cè)到黑線時(shí)，探頭輸出始終為高電平。檢測(cè)到黑線時(shí)，輸出立刻跳變到低電平。紅外光電開關(guān)送來的上下電平信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)器整形濾除干擾和抖動(dòng)后送入單片機(jī)89C2051分析處理和傳輸。電路原理見圖2-2。在具體的循跡過程中，為了能精確測(cè)定黑線位置并確定循跡方向，我們同時(shí)在懸掛物上安裝了8個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行三級(jí)方向糾正控制，提高了其循跡的可靠性。為確保懸掛物沿黑線循跡，我們按照以下方法安裝紅外探頭：采用3排8個(gè)探頭排成3×3方陣。在物體中間的兩個(gè)探頭2和6始終檢測(cè)黑線，假設(shè)右側(cè)偏離黑線，那么左側(cè)探頭檢測(cè)到黑線，并把信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)控制物體左偏。假設(shè)下側(cè)偏離黑線，那么上側(cè)探頭檢測(cè)到黑線，并把信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)控制物體上偏，依此類推。探頭排列見圖2-3。圖2-2反射式紅外線探頭原理圖垂直方向循跡黑線水平方向探頭8探頭5探頭3探頭7探頭6垂直方向循跡黑線水平方向探頭8探頭5探頭3探頭7探頭6探頭1探頭4探頭2圖2-38個(gè)紅外探頭的排列狀態(tài)(2)數(shù)據(jù)傳輸模塊電路上述8個(gè)紅外探頭檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過施密特觸發(fā)器74HC14整形之后送往輔單片機(jī)AT89C2051的P1.0～P1.7口進(jìn)行電平判別處理。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)的串行TXD口P3.1輸出至主單片機(jī)AT89S52?？紤]到使用有線傳輸且傳輸?shù)木€路較長(zhǎng)，為數(shù)據(jù)傳輸絕對(duì)可靠，我們?cè)趥鬏斁€路中參加了由MAX232芯片構(gòu)成的電平變換電路，將89C2051輸出的TTL電平變換為幅值更高的RS232電平，以對(duì)抗線路干擾和衰減。主CPU接收數(shù)據(jù)前由另一片MAX232負(fù)責(zé)將接收到的RS232電平變換回TTL電平。實(shí)際證明了這種方法的可靠性，在制作和測(cè)試的整個(gè)過程中從沒有出現(xiàn)過傳輸誤碼。此局部電路見圖2-4。圖2-4數(shù)據(jù)傳輸電路圖(3)步進(jìn)電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊電路圖2-5步進(jìn)電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)電路每只步進(jìn)電機(jī)由四個(gè)大功率達(dá)林頓晶體管TIP122組成的H橋電路驅(qū)動(dòng)。這四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通或截止，輪流給出電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖并根據(jù)單片機(jī)輸出控制脈沖的占空比來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速；同時(shí)兩組晶體管分組導(dǎo)通和截止就能控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。此局部原理圖見圖2-5。(4)主CPU模塊電路主CPU模塊包含89S52單片機(jī)、TC1602A藍(lán)字白色背光LCD液晶顯示器、7鍵輕觸鍵盤和MAX232電平轉(zhuǎn)換〔RS232到TTL〕電路。LCD顯示屏由單片機(jī)控制，實(shí)時(shí)顯示畫筆所在坐標(biāo)、通過鍵盤設(shè)定初始坐標(biāo)和系統(tǒng)工作模式等。以人性化的菜單形式通過并行接口與單片機(jī)通信，完成人機(jī)交互的任務(wù)。此模塊上的MAX232電平轉(zhuǎn)換電路接收從89C2051傳來的串行數(shù)據(jù)，變換成TTL電平后從89S52的串行RXD口送入處理，以便根據(jù)探頭反響的狀態(tài)控制步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確循跡。主單片機(jī)89S52是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它接收各模塊的反響信號(hào)和數(shù)據(jù)，分析處理后的作用向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出正確的指令使系統(tǒng)完成各項(xiàng)任務(wù)。2、系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì)軟件算法是本設(shè)計(jì)的核心和靈魂。(1)鍵盤功能、特色為了更好地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和CPU的利用率，更好地完成人機(jī)接口控制，我們?cè)O(shè)定了三個(gè)主鍵、四個(gè)副鍵。7個(gè)按鍵的功能見下表2-1：表2-1按鍵功能表鍵號(hào)功能0PositionY自加1PositionX自減2PositionY自減3PositionX自加4模式切換〔循環(huán)〕5當(dāng)前設(shè)定確認(rèn)鍵6退出設(shè)定按鍵位置編號(hào)如圖2-6：圖2-6按鍵位置和編號(hào)(2)顯示器我們用1602型點(diǎn)陣式液晶顯示屏，第一行顯示模式及當(dāng)前實(shí)時(shí)坐標(biāo)，第二行顯示目的坐標(biāo)。(3)系統(tǒng)的核心是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。電機(jī)控制的根底和核心就是能讓懸掛物能正確地沿X軸和Y軸移動(dòng)，這是一個(gè)過程量的控制，即是說步進(jìn)電機(jī)的步調(diào)是當(dāng)前坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系。如圖2-7，在直角三角形中有勾股定理：圖2-7直角三角形勾股定理在給定紙板的坐標(biāo)系中建立如圖2-8的三角形關(guān)系式便可得到以下單片機(jī)C語言描述的函數(shù)程序段：圖2-8坐標(biāo)系中步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)算法的計(jì)算HH=(115-PosionY)*(115-PosionY);L2=(double)sqrt((double)((PosionX+16)*(PosionX+16)+HH));L1=(double)sqrt((double)((PosionX+15)*(PosionX+15)+HH));R2=(double)sqrt((double)((110-PosionX-16)*(110-PosionX-16)+HH));R1=(double)sqrt((double)((110-PosionX-15)*(110-PosionX-15)+HH));LeftMotorStep=(unsignedint)((double)((L2-L1)*600/11));//左電機(jī)所走步數(shù)RightMotorStep=(unsignedint)((double)((R1-R2)*600/11));//右電機(jī)所走步數(shù)以上C語言程序算法可以計(jì)算出物體每走一格〔即1cm〕，電機(jī)所必須走過的步數(shù)N，計(jì)算的過程量都采用了double型以確保數(shù)據(jù)的精確性。于是我們可以計(jì)算出在當(dāng)前坐標(biāo)〔PosionX，PosionY〕的下，物體往右走一格，左、右步進(jìn)電機(jī)應(yīng)有的協(xié)調(diào)步調(diào)。用同樣的算法可以計(jì)算出物體往左、往上、往下走一格時(shí)，左、右步進(jìn)電機(jī)的協(xié)調(diào)步調(diào)。我們?cè)倮梅e分的原理，把每一格進(jìn)行細(xì)分，只要細(xì)分足夠，即可使懸掛現(xiàn)物沿指定坐標(biāo)移動(dòng)。這就是整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)底層的最重要的算法，有了這個(gè)算法我們就可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于當(dāng)前坐標(biāo)過程量控制〔從當(dāng)前坐標(biāo)到另一任意坐標(biāo)〕?？刂莆矬w能正確沿X軸、Y軸移動(dòng)后，我們就能讓物體在整個(gè)坐標(biāo)上做任意軌跡的運(yùn)動(dòng)。(4)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)擁有6種控制模式：MODE0：SystemCorrection〔校正原點(diǎn)坐標(biāo)〕：即在運(yùn)動(dòng)前預(yù)先校正坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，從而實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)遷移和定位。為了能正確地校正原點(diǎn)，減小誤差，軟件設(shè)計(jì)中此模式可以手動(dòng)控制物體的移動(dòng)。MODE1：Dot(設(shè)定圓心坐標(biāo)并畫圓)：在平面坐標(biāo)系上畫一個(gè)圓，這是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。算法也比擬復(fù)雜：我們知道三角公式：以及直角坐標(biāo)系中半徑為1的圓的方程：由此可知，一路正弦平方的運(yùn)算結(jié)果加上一路余弦平方的運(yùn)算結(jié)果就能夠得到一個(gè)圓。因此，我們把坐標(biāo)系上的一路正弦軌跡和一路余弦軌跡合成即可得到一個(gè)圓的軌跡。因?yàn)槲矬w最根本的運(yùn)動(dòng)是沿X軸或Y軸移動(dòng)，因此我們必須對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行細(xì)分，再從程序中的事先計(jì)算好的正弦表和余弦表取對(duì)應(yīng)點(diǎn)才得到一個(gè)圓。但是由于電機(jī)速度受限，單片機(jī)存儲(chǔ)空間和運(yùn)算速度都有限，我們不可能取太多的點(diǎn)，通過實(shí)踐，取128個(gè)點(diǎn)比擬適宜。下表2-2是程序中的正弦、余弦表：表2-2程序中的正弦、余弦表charcharcodeCodeXSin[128]={0x00,0x06,0x0C,0x13,0x19,0x1F,0x25,0x2B,0x31,0x37,0x3C,0x42,0x47,0x4C,0x51,0x56,0x5A,0x5E,0x63,0x66,0x6A,0x6D,0x70,0x73,0x76,0x78,0x7A,0x7C,0x7D,0x7E,0x7F,0x7F,0x7F,0x7F,0x7F,0x7E,0x7D,0x7C,0x7A,0x78,0x76,0x73,0x70,0x6D,0x6A,0x66,0x63,0x5E,0x5A,0x56,0x51,0x4C,0x47,0x42,0x3C,0x37,0x31,0x2B,0x25,0x1F,0x19,0x13,0x0C,0x06,0x00,0xFB,0xF5,0xEE,0xE8,0xE2,0xDC,0xD6,0xD0,0xCA,0xC5,0xBF,0xBA,0xB5,0xB0,0xAB,0xA7,0xA3,0x9E,0x9B,0x97,0x94,0x91,0x8E,0x8B,0x89,0x87,0x85,0x84,0x83,0x82,0x82,0x81,0x82,0x82,0x83,0x84,0x85,0x87,0x89,0x8B,0x8E,0x91,0x94,0x97,0x9B,0x9E,0xA3,0xA7,0xAB,0xB0,0xB5,0xBA,0xBF,0xC5,0xCA,0xD0,0xD6,0xDC,0xE2,0xE8,0xEE,0xF5,0xFB};charcodeCodeYCos[128]={0x7F,0x7F,0x7F,0x7E,0x7D,0x7C,0x7A,0x78,0x76,0x73,0x70,0x6D,0x6A,0x66,0x63,0x5E,0x5A,0x56,0x51,0x4C,0x47,0x42,0x3C,0x37,0x31,0x2B,0x25,0x1F,0x19,0x13,0x0C,0x06,0x00,0xFB,0xF5,0xEE,0xE8,0xE2,0xDC,0xD6,0xD0,0xCA,0xC5,0xBF,0xBA,0xB5,0xB0,0xAB,0xA7,0xA3,0x9E,0x9B,0x97,0x94,0x91,0x8E,0x8B,0x89,0x87,0x85,0x84,0x83,0x82,0x82,0x81,0x82,0x82,0x83,0x84,0x85,0x87,0x89,0x8B,0x8E,0x91,0x94,0x97,0x9B,0x9E,0xA3,0xA7,0xAB,0xB0,0xB5,0xBA,0xBF,0xC5,0xCA,0xD0,0xD6,0xDC,0xE2,0xE8,0xEE,0xF5,0xFB,0x00,0x06,0x0C,0x13,0x19,0x1F,0x25,0x2B,0x31,0x37,0x3C,0x42,0x47,0x4C,0x51,0x56,0x5A,0x5E,0x63,0x66,0x6A,0x6D,0x70,0x73,0x76,0x78,0x7A,0x7C,0x7D,0x7E,0x7F,0x7F}; MODE2：GoToXY(找坐標(biāo)點(diǎn)XY)：設(shè)定目標(biāo)坐標(biāo)并且從當(dāng)前坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)坐標(biāo)。這并不是簡(jiǎn)單的沿直角邊運(yùn)動(dòng)。為了贏得時(shí)間物體應(yīng)該走直線，但是只能沿X軸和Y軸移動(dòng)的物體不可能走出很平滑的直線，我通過直線方程〔見圖2-9〕y=Y-((Y-PosionY)*(X-(PosionX+1))/(X-PosionX))Y(0,Y)(0,Y)(0,0)(X,0)(0,0)(X,0)X圖2-9直角坐標(biāo)系中的直線使坐標(biāo)X，Y同步移動(dòng)畫出一條逼近直線的曲線。這個(gè)算法能讓物體用較少的時(shí)間從一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)沿一條接近直線的曲線移動(dòng)到另一坐標(biāo)點(diǎn)。MODE3：DrawRect(畫矩形)：這個(gè)算法比擬簡(jiǎn)單，讓物體沿X軸和Y軸走一圈即可。MODE4：Track(循跡)：系統(tǒng)將所有紅外探頭的狀態(tài)返回安裝在懸掛物上的2051單片機(jī)，經(jīng)過處理后用串口傳到主單片機(jī)AT89S52。處理算法跟以往一般的探頭處理不一樣，以往的處理是把探頭組合起來，把所有情況都列出來，然后CPU再發(fā)出命令，改變物體運(yùn)動(dòng)方向。我們通過算法的處理，把復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化，不但有利于編程，也為單片機(jī)工作省了不少時(shí)間和存儲(chǔ)空間。不同于傳統(tǒng)的組合處理，我們把探頭返回的循跡狀態(tài)按一定的優(yōu)先級(jí)來處理，優(yōu)先次序?yàn)?—>4—>6—>8—>3—>1—>5—>7，每個(gè)狀態(tài)系統(tǒng)的處理表如下：表2-3AT89S52對(duì)探頭狀態(tài)的處理探頭狀態(tài)處理結(jié)果2向上移動(dòng)1mm4向右移動(dòng)1mm6向下移動(dòng)1mm8向左移動(dòng)1mm3向上45度移動(dòng)1.41mm1向左45度移動(dòng)1.41mm5向右下45度移動(dòng)1mm7停止探頭的安裝見圖2-3。MODE5：BackHome(回到原點(diǎn))：物體將從當(dāng)前坐標(biāo)回到原點(diǎn)〔0，0〕；整個(gè)系統(tǒng)的工作模式通過鍵盤選定，系統(tǒng)軟件流程圖見圖2-10：?jiǎn)?dòng)，系統(tǒng)初始化啟動(dòng)，系統(tǒng)初始化LCDLCD顯示，等待按鍵N有鍵按下？Y有鍵按下？Y判斷工作模式判斷工作模式模式4循跡模式3畫自定義矩形模式4循跡模式3畫自定義矩形模式2尋找坐標(biāo)點(diǎn)XY模式0系統(tǒng)校正模式1設(shè)定圓心坐標(biāo)畫圓模式5回坐標(biāo)原點(diǎn)89C2051持續(xù)返回紅外探頭狀態(tài)89C2051持續(xù)返回紅外探頭狀態(tài)Y驅(qū)動(dòng)電機(jī)和LCD完成？NY驅(qū)動(dòng)電機(jī)和LCD完成？N手動(dòng)到達(dá)循跡起點(diǎn)手動(dòng)到達(dá)循跡起點(diǎn)循跡并越過斷點(diǎn)判斷循跡返回?cái)?shù)據(jù)循跡正常？循跡校正循跡并越過斷點(diǎn)判斷循跡返回?cái)?shù)據(jù)循跡正常？循跡校正循跡完成？NY循跡完成？NYYNN圖2-10系統(tǒng)軟件流程圖三、測(cè)試儀器及測(cè)試方法1、測(cè)試儀器秒表，米尺2、測(cè)試方法及結(jié)果手動(dòng)將懸掛物放在坐標(biāo)原點(diǎn)處，開啟電源讓整個(gè)系統(tǒng)開始工作?！?〕通過鍵盤任意設(shè)定坐標(biāo)參數(shù)