2015年全国大学生电子设计竞赛
论文
X题：悬挂运动控制系统
2015年8月15日
悬挂运动控制系统（E题）
摘要
本设计使用AT89S52单片机作为悬挂运动控制系统的核心，硬件电路包含液晶显示和键盘处理模块，步进电机驱动模块，黑线循迹检测模块，数据传输模块等几部分。液晶显示屏负责显示系统状态和控制命令，调试时还可以方便的显示每个红外传感器的状态；键盘接收输入的控制指令；电机驱动采用脉宽调制技术，可灵活方便地控制两个步进电机；反射式红外传感器模块在循迹时检测引导黑线；数据传输模块上的AT89C2051单片机将红外传感器状态信息通过串行口传送至AT89S52控制核心，使之能根据程序算法驱动两个步进电机带动悬挂物按要求运动并同时显示各种状态数据。
关键词：步进电机，脉宽调制，红外传感器，循迹，算法
Abstract
In this design,the control kernel of this hanging movement system is based on a MCU chip AT89S52.The hole hardware circuit is composed of the following modules:LCD display and keyboard module,step motors drive module,track detecting module and data transfer module.The LCD displays system status,command and also the status of infrared sensors when debugging.The keyboard receives user’s command.The motors drive module adopts PWM technology to control motors’ status flexibly and conveniently.The reflecting infrared sensors detect black lines when tracking.The AT89C2051 on the data transfer module transfers data to AT89S52 through UART so as to make motors work properly according to program algorithm and display status data needed.
Keywords: step motor，PWM，infrared sensor，tracking，algorithm
一、方案论证及比较
1、电机的选择和论证
方案一：采用普通直流电机。普通直流电机在合理范围内加不同的直流工作电压就有不同的转速，易于实现无级调速，功耗较低，转速变化平滑，但制动和正反转控制不够灵活且响应慢，转换精度不高。
方案二：采用矢量控制的交流电机。基于坐标交换的交流电机矢量控制使交流电机调速达到并超过传统的直流电机调速性能；直接转矩控制（DTC）的交流电机调速控制具有DTC与脉宽调制PWM技术并用以及转矩响应快等优点。但电机本身难于购置，其驱动对本设计而言也过于复杂。
方案三：采用步进电机。步进电机是将电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、停止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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差，而且步进电机有转换精度高，并能快速启停和正反转的特点，使得步进电机非常适合在各控制领域使用。
方案四：采用直流齿轮电机。直流齿轮电机转速平缓、负载能力强、正反转灵活。但是转换精度很难满足要求。
因此，根据需要，我们选择了方案三，采用步进电机。
2、电机驱动方案的选择和论证
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，因此非常适合于单片机驱动，驱动基本原理为：(1) 控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,D相的通断。
(2) 控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
(3) 控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
步进电机驱动方案设计的重点在于对电机的控制和驱动，本设计中受控电机为四相六线制步进电机，具有功率大，步进角小的优点。
方案一：使用多个功率放大器驱动电机。通过不同的放大电路和不同参数的器件，达到不同的放大要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，放大电路参数很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行不稳定，而且电路的制作也比较复杂。
方案二：使用L298N芯片驱动电机。L298N可以驱动两个二相电机，或驱
动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。但是我们在本地没有买到此芯片。
方案三：使用数字电位器和三极管驱动步进电机。但数字电位器的价格昂贵，外界干扰大，整体驱动能力弱。
方案四：采用继电器进行电机调速，单片机通过调整继电器开关的速度从而实现对电机的速度的调整。这种电路虽然简单，但是继电器是机械触点，反应速度慢，工作电流大，可靠性差。
方案五：使用分立元件H型PWM电路。该电路每个电机由四个大功率达林顿晶体管TIP122驱动，分为两组，交替导通或截止。用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，轮流给四路驱动脉冲，通过调整输入脉冲的占空比来调整电机转速，这种电路工作稳定，效率高，反应速度快，是广泛采用的PWM调速技术。
通过比较，我们选用了方案五，并且将控制电路和驱动功率管用光耦进行隔离，进一步提高了电路的稳定性。
3、物体运动距离检测的选择和论证
方案一：采用霍耳元件芯片。这种芯片内部由三片霍耳元件组成，在滑轮的边缘处安装磁片，当磁铁正对金属板时，由于霍耳效应，可以产生电流的变化，对此脉冲加以判断，通过对脉冲的计数进行距离检测。但是此种方法由于本设计的滑轮很小，安装十分困难，并且监测的精度不够高。
图1-1 用电阻丝和A/D转换进行距离监测方案图
方案二：采用电阻丝和A/D转换进行距离监测。原理如图1-1，把直径均匀，电阻率较大的电阻丝接在电源上，则电阻丝的一端到另一端的电压是逐级变化的，把滑动接触探头P固定在细线上使之随细线上下滑动并把采集到的电压传送给
A/D转换器，A/D转换器再把采集到的模拟电压信号转换成数字信号并传给单片机进行数据处理。此方案虽然可以实时监测细线运动的长度，但程序烦琐，硬件安装十分困难，测量精度不够并且很容易受各种外界环境的影响。
方案三：采用光电码盘进行检测。把光电码盘固定在滑轮的轴上，滑轮的转动带动光码盘转动，码盘上有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接收光敏器件接收。用计数器对光敏器件输出的脉冲进行计数并换算成距离。这种方案同样安装困难，效果差强人意。
方案四：检测步进电机转动的圈数再根据电机直径换算成运动距离。此方法实现方便，经过多次实际测量证明此方案可以很好的达到题目的要求，误差也可以控制在要求之内，效果很好。
基于以上分析，我们选定方案四。
4、循迹黑线检测方案的选择和论证
循迹黑线检测的基本原理是：光线照射到板面并反射，黑线和白纸对光的反射系数不同，所以可以根据接收到的反射光的强弱来判断黑线。可实现的方案有以下几种：
方案一：采用光敏三极管和发光二极管组成的发射接收方案，如图1-2。该方案在实际使用时，受外界光线的影响大，一旦外界光强改变就很容易漏判和误判。虽然可加大发光二极管的亮度减弱外界光的干扰，但是效果仍然不佳并增加了系统的功耗。
图1-2 发光二极管和光敏三极管检测黑线电路图
方案二：使用反射式红外线收发器。采用红外线收发器可大幅度减少外界光线干扰。在试验中，我们发现它对黑白、深浅色物体检测效果很好，反应速度很快并且灵敏度可调。此方案具有受外界光线干扰小，外围电路简单，反应速度快等诸多优点。
方案三：采用CCD摄像头把黑线的信息收集起来再用单片机对其分析处理，
此种方法对路面信息处理准确，但是成本高，对硬件和软件的要求很高，短时间内很难完成制作。
比较以上方案，方案二更适合本系统，其电路简单、功耗小、软件也易于实现，因此选择方案二。在具体实施过程中考虑到此检测电路必须安装在移动的悬挂物体上，为进一步增加检测的抗干扰能力，我们还加入了施密特触发器74HC14进行整形。
5、电源方案的选择和论证
方案一：采用电池组供电。但本设计的步进电机功耗较大，随着系统运行时间的增加，电池的电量会很快减少，很快将影响整个系统的正常工作。
方案二：采用单组稳压电源供电。用一组稳压电源作为整个系统的电源，电机驱动和控制模块共用一个电源。这样虽然电源的接口简单但是由于电机功耗较大，启停、正反转的瞬间电流更大，必将影响系统的正常工作。
方案三：采用两组稳压电源供电。用两组独立电源分别给电机驱动和单片机单独供电。这样可以将电机转动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。
综上所述我们采用方案三。
6、显示模块的选择和论证
方案一：采用八位LED数码管显示。此方案软件简单，但是LED数码管耗电量大，驱动它们所需的单片机I/0口太多，并且只能显示有限的数字和字符，不能满足题目的要求。
方案二：采用VFD荧光显示。此种显示响应速度快，字符明亮美观，无需背光，但需要负高压偏压，电路驱动复杂，同样显示的字符数有限。
方案三：采用点阵LCD液晶显示。此方案耗电量小，能节省单片机很多资源，同时又可以显示各种文字或数字，能提供良好的人机交互界面。
考虑到尽量节省能源，显示内容尽量丰富，以及单片机的资源有限等问题，选择方案三。
7、数据传输模块的选择和论证
循迹时需要将和悬挂物固定在一起的红外线探头检测到的循迹数据及时传回控制中心AT89S52，以便能及时控制步进电机带动悬挂物准确循迹。传送此数据有以下几个方案：
方案一：采用无线数据传输。将发射电路置于悬挂物上，接收电路置于主控板上。它们之间无线传输数据。此种方案摆脱了导线的束缚，不增加悬挂平衡的负担，物体能相对自由运动，但无线传输电路实现十分复杂，受外界干扰明显，可靠性较低，短时间内很难制作调试。
方案二：采用激光数据传输。此方案基本不受外界干扰，但数据传输模块昂贵，而且光具有强烈的方向性，由于悬挂物的大范围移动，不能保证接收模块时刻都能接收。
方案三：采用有线传输。此方案不受外界影响，简便易行。通过单片机的UART 串行传输数据，只增加了3根导线(两根电源线和一根数据线)，并通过适当增加悬挂物重量，调整并固定导线位置等措施消除机械影响。
因此，我们选择了方案三。在实际传输中考虑到传输导线的长度，增加了
RS232电平转换电路，如图1-3，进一步提高数据传输的可靠性。在制作测试的整个过程中从没有出现传输错误。
TTL->RS232 RS232->TTL
悬挂物电路部分
数据线数据接收处理
图1-3 红外传感器和数据传输模块框图
二、系统的具体设计和实现
本系统使用AT89S52单片机作为悬挂运动控制系统的核心，硬件电路包含液晶显示和键盘处理模块，步进电机驱动模块，黑线循迹检测模块，数据传输模块等几部分。整个系统硬件框图如图2-1所示。
图2-1 系统整体硬件框图
以下分软件和硬件两大部分具体分析。
1、系统的硬件的设计
(1)循迹黑线检测模块电路
这里的循迹是指悬挂物在白板上循黑线行走，采取的方法是红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在物体循迹过程中不断向板面发射红外光，当红外光遇到白色部分时发生漫反射，反射光被装在
小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机以是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和物体循迹的路线。
比赛时在本地没有买到成品红外探头，为了达到最佳效果，我们采用市售高灵敏红外管自制8组反射式红外线探头同时检测循迹黑线，还对不同红外收发探头组进行彻底隔离，使之不相互影响；单组探头内部的发射和接收管也进行了隔离，保证接收管只能接收到相应红外发射管通过平面反射的红外光。在没有探测到黑线时，探头输出始终为高电平。检测到黑线时，输出立刻跳变到低电平。红外光电开关送来的高低电平信号经施密特触发器整形滤除干扰和抖动后送入单片机89C2051分析处理和传输。电路原理见图2-2。
在具体的循迹过程中，为了能精确测定黑线位置并确定循迹方向，我们同时在悬挂物上安装了8个红外探测头，进行三级方向纠正控制，提高了其循迹的可靠性。为确保悬挂物沿黑线循迹，我们按照以下办法安装红外探头：采用3排8个探头排成3×3方阵。在物体中间的两个探头2和6始终检测黑线，若右侧偏离黑线，则左侧探头检测到黑线，并把信号传给单片机，单片机控制物体左偏。若下侧偏离黑线，则上侧探头检测到黑线，并把信号传给单片机，单片机控制物体上偏，依此类推。探头排列见图2-3。
图2-2 反射式红外线探头原理图
(2) 数据传输模块电路
上述8个红外探头检测到的数据经过施密特触发器74HC14整形之后送往辅单片机AT89C2051的P1.0～P1.7口进行电平判别处理。处理后的数据经单片机的串行TXD口P3.1输出至主单片机AT89S52。考虑到使用有线传输且传输的线路较长，为数据传输绝对可靠，我们在传输线路中加入了由MAX232芯片构成的电平变换电路，将89C2051输出的TTL电平变换为幅值更高的RS232电平，以对抗线路干扰和衰减。主CPU接收数据前由另一片MAX232负责将接收到的RS232电平变换回TTL电平。实际证明了这种方法的可靠性，在制作和测试的整个过程中从没有出现过传输误码。此部分电路见图2-4。
图2-4 数据传输电路图
(3) 步进电机PWM驱动模块电路
图2-5 步进电机PWM驱动电路
每只步进电机由四个大功率达林顿晶体管TIP122组成的H桥电路驱动。这四个晶体管分为两组，交替导通或截止，轮流给出电机驱动脉冲并根据单片机输出控制脉冲的占空比来调整电机转速；同时两组晶体管分组导通和截止就能控制步进电机的正转和反转。此部分原理图见图2-5。
(4) 主CPU模块电路
主CPU模块包含89S52单片机、TC1602A蓝字白色背光LCD液晶显示器、7键轻触键盘和MAX232电平转换（RS232到TTL）电路。
LCD显示屏由单片机控制，实时显示画笔所在坐标、通过键盘设定初始坐标和系统工作模式等。以人性化的菜单形式通过并行接口与单片机通信，完成人机交互的任务。此模块上的MAX232电平转换电路接收从89C2051传来的串行数据，变换成TTL电平后从89S52的串行RXD口送入处理，以便根据探头反馈的状态控制步进电机准确循迹。
主单片机89S52是整个系统的核心，它接收各模块的反馈信号和数据，分析处理后的作用向步进电机发出正确的指令使系统完成各项任务。
2、系统的软件的设计
软件算法是本设计的核心和灵魂。
(1) 键盘功能、特色
为了更好地提高系统的稳定性和CPU的利用率，更好地完成人机接口控制，我们设定了三个主键、四个副键。7个按键的功能见下表2-1：
表2-1 按键功能表
按键位置编号如图2-6：
图2-6 按键位置和编号
(2) 显示器我们用1602型点阵式液晶显示屏，第一行显示模式及当前实时坐标，第二行显示目的坐标。
(3) 系统的核心是步进电机的驱动控制。电机控制的基础和核心就是能让悬挂物能正确地沿X轴和Y轴移动，这是一个过程量的控制，即是说步进电机的步调是当前坐标的函数关系。
如图2-7，在直角三角形中有勾股定理：222
=+
c a b
c
a222
=+
c a b
b
图2-7 直角三角形勾股定理
在给定纸板的坐标系中建立如图2-8的三角形关系式便可得到以下单片机C 语言描述的函数程序段：
图2-8 坐标系中步进电机移动算法的计算
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 = (unsigned int)((double)((L2-L1)*600/11))
;//左电机所走步数RightMotorStep = (unsigned int)((double)((R1-R2)*600/11))
; //右电机所走步数
以上C语言程序算法可以计算出物体每走一格（即1cm），电机所必须走过的步数N，计算的过程量都采用了double型以确保数据的精确性。于是我们可以计算出在当前坐标（PosionX，PosionY）的下，物体往右走一格，左、右步进电机应有的协调步调。用同样的算法可以计算出物体往左、往上、往下走一格时，左、右步进电机的协调步调。我们再利用积分的原理，把每一格进行细分，只要细分足够，即可使悬挂现物沿指定坐标移动。
这就是整个电机驱动控制系统底层的最重要的算法，有了这个算法我们就可以实现关于当前坐标过程量控制（从当前坐标到另一任意坐标）。控制物体能正确沿X轴、Y轴移动后，我们就能让物体在整个坐标上做任意轨迹的运动。
(4) 软件系统设计拥有6种控制模式：
MODE0：System Correction（校正原点坐标）：即在运动前预先校正坐标原点的位置，从而实现了坐标迁移和定位。为了能正确地校正原点，减小误差，软件设计中此模式可以手动控制物体的移动。
MODE1：Dot (设定圆心坐标并画圆)：在平面坐标系上画一个圆，这是一个非常复杂的过程。算法也比较复杂：
我们知道三角公式：22
+=
sin cos1
x x
以及直角坐标系中半径为1的圆的方程：221
+=
x y
由此可知，一路正弦平方的运算结果加上一路余弦平方的运算结果就能够得到一个圆。因此，我们把坐标系上的一路正弦轨迹和一路余弦轨迹合成即可得到一个圆的轨迹。因为物体最基本的运动是沿X轴或Y轴移动，因此我们必须对坐标进行细分，再从程序中的事先计算好的正弦表和余弦表取对应点才得到一个圆。但是由于电机速度受限，单片机存储空间和运算速度都有限，我们不可能取太多的点，通过实践，取128个点比较合适。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
char code CodeXSin[128]=
{0x00,0x06,0x0C,0x13,0x19,0x1F,0x25,0x2B,0x31,0x37,0x3C,0x42,0x47,0x4C,0x5 1,0x56,0x5A,0x5E,0x63,0x66,0x6A,0x6D,0x70,0x73,0x76,0x78,0x7A,0x7C,0x7D,0x 7E,0x7F,0x7F,0x7F,0x7F,0x7F,0x7E,0x7D,0x7C,0x7A,0x78,0x76,0x73,0x70,0x6D,0 x6A,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,0x8 B,0x89,0x87,0x85,0x84,0x83,0x82,0x82,0x81,0x82,0x82,0x83,0x84,0x85,0x87,0x 89,0x8B,0x8E,0x91,0x94,0x97,0x9B,0x9E,0xA3,0xA7,0xAB,0xB0,0xB5,0xBA,0xBF,0 xC5,0xCA,0xD0,0xD6,0xDC,0xE2,0xE8,0xEE,0xF5,0xFB };
char code CodeYCos[128]=
{0x7F,0x7F,0x7F,0x7E,0x7D,0x7C,0x7A,0x78,0x76,0x73,0x70,0x6D,0x6A,0x66,0x6 3,0x5E,0x5A,0x56,0x51,0x4C,0x47,0x42,0x3C,0x37,0x31,0x2B,0x25,0x1F,0x19,0x 13,0x0C,0x06,0x00,0xFB,0xF5,0xEE,0xE8,0xE2,0xDC,0xD6,0xD0,0xCA,0xC5,0xBF,0 xBA,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,0xD 0,0xD6,0xDC,0xE2,0xE8,0xEE,0xF5,0xFB,0x00,0x06,0x0C,0x13,0x19,0x1F,0x25,0x 2B,0x31,0x37,0x3C,0x42,0x47,0x4C,0x51,0x56,0x5A,0x5E,0x63,0x66,0x6A,0x6D,0 x70,0x73,0x76,0x78,0x7A,0x7C,0x7D,0x7E,0x7F,0x7F };
MODE2：GoToXY(找坐标点XY)：设定目标坐标并且从当前坐标运动到目标坐标。这并不是简单的沿直角边运动。为了赢得时间物体应该走直线，但是只能沿X轴和Y轴移动的物体不可能走出很平滑的直线，我通过直线方程（见图2-9）
y = Y-((Y-PosionY)*(X-(PosionX+1))/(X-PosionX))
图2-9 直角坐标系中的直线
使坐标X，Y同步移动画出一条逼近直线的曲线。这个算法能让物体用较少的时间从一个坐标点沿一条接近直线的曲线移动到另一坐标点。
MODE3：Draw Rect(画矩形)：这个算法比较简单，让物体沿X轴和Y轴走一圈即可。
MODE4：Track(循迹)：系统将所有红外探头的状态返回安装在悬挂物上的2051单片机，经过处理后用串口传到主单片机AT89S52。处理算法跟以往一般的探头处理不一样，以往的处理是把探头组合起来，把所有情况都列出来，然后CPU再发出命令，改变物体运动方向。我们通过算法的处理，把复杂的问题简单化，不但有利于编程，也为单片机工作省了不少时间和存储空间。不同于传统的组合处理，我们把探头返回的循迹状态按一定的优先级来处理，优先次序为2—>4—>6—>8—>3—>1—>5—>7，每个状态系统的处理表如下：
表2-3 AT89S52对探头状态的处理
探头的安装见图2-3。
MODE5：BackHome(回到原点)：物体将从当前坐标回到原点（0，0）；
整个系统的工作模式通过键盘选定，系统软件流程图见图2-10：
图2-10 系统软件流程图
三、测试仪器及测试方法
1、测试仪器
秒表，米尺
2、测试方法及结果
手动将悬挂物放在坐标原点处，开启电源让整个系统开始工作。
（1）通过键盘任意设定坐标参数，物体从原点出发到达设定坐标点的测试结果如表3-1。
表3-1 从原点到另一任意坐标点的测试结果
（2）控制物体在80cm×100cm给定范围内做自行设定的边长为40cm的正方形运动，结果如下表3-2。
表3-2 作正方形运动的测试结果
（3）控制物体作圆心任意设定、半径为25cm的圆周运动，结果如表3-3。
(4) 使物体沿板上标出的任意包含两个断点的曲线运动，测试结果如表3-4。
四、结束语
本系统除完成了题目的基本要求以及发挥部分外还具有以下自由发挥的优点：
1、物体可以从坐标系内的任意一点自动返回原点；
2、物体可以在事先指定坐标的两点间往返移动；
3、具有良好的人机交互界面，给操作和调试带来了极大的方便；
4、由于循迹探头灵敏稳定及程序算法优良，可以准确的按所给的任意曲线前进
并越过断点，通过合理调节红外探头的灵敏度，几乎可以工作在任何光强的环境下；
5、整个系统稳定可靠；
6、改进方案：可以在程序的正弦、余弦表中多取点（如256个）使物体的运动
轨迹更趋平滑、误差更小；由此带来的单片机存储空间和运算速度等相关问题，可以通过换用运算速度更快、存储空间更大的单片机或其它器件来解决。
五、参考文献
[1] 李群芳、黄建.单片微型计算机与接口技术.北京：电子工业出版社，2001
[2] 谢自美.电子线路设计·实验·测试.武汉：华中科技大学出版社，2000
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[4] 袁涛.单片机C高级语言程序设计及其应用.北京：北京航空航天大学出版社，2001
[5] 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2003).北京：北京理工大学
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[6] 李科杰.新编传感器技术手册.北京：国防工业出版社,2002
[7] TC1602A液晶显示器手册
[8] 步进电机手册
题目一、悬挂运动控制系统 一、任务 设计一个电机控制系统，控制滑块竖板上运动。 在一个白色的底板上固定2个滑轮，2只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一个滑块在板上运动，运动范围为50cm×50cm。滑块的形状不限，质量大于100克。滑块上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。板上标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点, 示意图1所示。 图1 电机控制系统 二、要求 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）控制滑块在50cm×50cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于50cm，滑块在运动时能够在板上画出运动轨迹，限150秒内完成； （3）控制滑块作圆心可任意设定、直径为30cm的圆周运动，限200秒内完
成； （4）滑块从左下角坐标原点出发，在100秒内到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于40cm)。 2、发挥部分 （1）能够显示滑块中画笔所在位置的坐标； （2）控制滑块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1.5cm～1.8cm，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150秒内完成，沿间断曲线运动限定在300秒内完成；（3）控制滑块在板上绘出一个数字字符，如“2”、“3”、“5”“6”、“8”、“9”等，限定在300秒内完成； （4）其他。 三、评分标准 四、说明 （1）滑块的运动轨迹以画笔画出的痕迹为准，应尽量使滑块运动轨迹与预期轨迹吻合，同时尽量缩短运动时间； （2）若在某项测试中运动超过限定的时间，该项目不得分； （3）运动轨迹与预期轨迹之间的偏差超过4cm时，该项目不得分； （4）在基本要求(3)、(4)和发挥部分(2)、（3）中，滑块开始运动前，允许手动将滑块定位；开始运动后，不能再人为干预滑块运动。
悬挂运动控制系统（E题） 一、任务 设计一电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角≤100度）的板上运动。 在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为80cm×100cm。物体的形状不限，质量大于100克。物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。板上标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点, 示意图如下。 二、要求 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)。 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 1.5cm～1.8cm，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。 三、评分标准 四、说明 1、物体的运动轨迹以画笔画出的痕迹为准，应尽量使物体运动轨迹与预期轨迹吻合， 同时尽量缩短运动时间； 2、若在某项测试中运动超过限定的时间，该项目不得分； 3、运动轨迹与预期轨迹之间的偏差超过4cm时，该项目不得分； 4、在基本要求(3)、(4)和发挥部分(2)中，物体开始运动前，允许手动将物体定位；开 始运动后，不能再人为干预物体运动； 5、竞赛结束时，控制系统封存上交赛区组委会，测试用板(板上含空白坐标纸) 测试 时自带。
2015年全国大学生电子设计竞赛 论文 X题：悬挂运动控制系统 2015年8月15日
悬挂运动控制系统（E题） 摘要 本设计使用AT89S52单片机作为悬挂运动控制系统的核心，硬件电路包含液晶显示和键盘处理模块，步进电机驱动模块，黑线循迹检测模块，数据传输模块等几部分。液晶显示屏负责显示系统状态和控制命令，调试时还可以方便的显示每个红外传感器的状态；键盘接收输入的控制指令；电机驱动采用脉宽调制技术，可灵活方便地控制两个步进电机；反射式红外传感器模块在循迹时检测引导黑线；数据传输模块上的AT89C2051单片机将红外传感器状态信息通过串行口传送至AT89S52控制核心，使之能根据程序算法驱动两个步进电机带动悬挂物按要求运动并同时显示各种状态数据。 关键词：步进电机，脉宽调制，红外传感器，循迹，算法 Abstract In this design,the control kernel of this hanging movement system is based on a MCU chip AT89S52.The hole hardware circuit is composed of the following modules:LCD display and keyboard module,step motors drive module,track detecting module and data transfer module.The LCD displays system status,command and also the status of infrared sensors when debugging.The keyboard receives user’s command.The motors drive module adopts PWM technology to control motors’ status flexibly and conveniently.The reflecting infrared sensors detect black lines when tracking.The AT89C2051 on the data transfer module transfers data to AT89S52 through UART so as to make motors work properly according to program algorithm and display status data needed. Keywords: step motor，PWM，infrared sensor，tracking，algorithm
吉林建筑大学城建学院 毕业设计开题报告 所学专业：电气信息工程及其自动化 学生姓名： 指导教师： 论文题目：基于单片机的悬挂运动控制系统设计开题报告日期：2015.3.30
说明 1、开题报告由毕业生本人在完成文献阅读、科研调查的基础上，并通过开题报 告评议后填写。 2、本报告一式两份。一份交学院作为论文检查的依据；一份答辩后作为档案材 料归入学位档案。 3、开题报告用A4纸打印，不需标注页码。报告内容字体一律使用宋体小四， 行间距为1.25倍。
一、课题来源及研究的目的和意义 课题来源：生产 研究的目的： 科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制开始进入了人们的生活，以单片机为核心的悬挂运动自动控制系统就是其中之一。在现代的工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中，悬挂运动系统的应用越来越多，在这些系统中悬运动部件通常是具体的执行机构，因而悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素，而在实际中实现悬挂运动控制系统的精确控制是非常困难的。靠改变悬挂被控对象的绳索长短来控制被控对象运动轨迹的悬挂运动控制系统，在生产控制等领域有很广的应用范围，但受技术上的制约，使用也有一定限制。采用单片机作为系统控制器。单片机可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用单片机软件进行仿真和调试。单片机采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系统。 研究的意义： 运动控制是自动化技术的重要组成部分，是机器人等高技术领域的技术基础，已取得了广泛的工程应用。运动控制集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等内容。自二十世纪八十年代初期，运动控制器已经开始在国外多个行业应用，尤其是在微电子行业的应用更加广泛。而当时运动控制器在我国的应用规模和行业面很小，国内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品。在现代的工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中，悬挂运动控制系统的应用越来越多，在这些系统中悬挂运动部件通常是具体的执行机构，因此悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素。靠改变悬挂被控对象的绳索长短来控制被控对象运动轨迹的悬挂运动控制系统，在生产控制等领域有很广的应用范围。
悬挂运动控制系统（E题）设计报告 欧阳家百（2021.03.07） 摘要：本悬挂控制系统是一个电机控制系统，控制物体在80cm×100cm的范围内作直线、圆、寻迹等运动，并且在运动时能显示运动物体的坐标。设计采用AT89S52单片机作为核心控制器件，采用57BYG007-4型步进电机和高细分步进电机驱动器SM-60作为动力装置，采用红外反射式光电传感器实现画板上黑色线寻迹检测，显示部分用液晶显示模块LCD1602实现。 关键词：悬挂控制、单片机、步进电机、红外反射式光电传感器 一、设计要求 1、任务 设计一电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角≤100度）的板上运动。 在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为80cm×100cm。物体的形状不限，质量大于100克。物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。板上标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点, 示意图如下。 2、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)。 3、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 1.5cm～1.8cm，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
悬挂运动控制系统 【摘要】本系统采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制中心，由直流步进电机、红外收发对管、4*4键盘及中文液晶显示屏构成的悬挂运动控制系统。该系统能自由控制悬挂物体完成自行设定运动、画圆运动、沿黑线运动等，并能正确显示物体到达的坐标位置。 【关键词】SPCE061A单片机中文液晶显示屏逼近画圆算法 A Control System For Suspension Movement [Abstract]This design uses SPCE061A as the control core to build a suspension movement control system which consists of a DC step motor, infrared emitting tube, 4X4 keyboard and an LCD display screen for Chinese characters. The system can control the suspended objects to complete the movements set by itself, such as drawing the circles, moving along the black lines and doing other movements. It also can display the correct location of the coordinate where the object reaches. Key words: SPCE061A Single chip， Chinese characters LCD， Closing Algorithm for circle drawing 一、方案的选择与论证
悬挂运动控制系统（E题） 摘要 本系统在嵌入式操作系统基础上，使用两块单片机协调工作，对悬挂物体的运动进行实时控制。系统通过两个步进电机的配合完成了平面任意曲线运动，通过光电传感器配合循迹算法迅速有效地完成了循迹运动。运动的精度为毫米级，过渡时间不超过1分钟。同时，使用了点阵式LCD配合PS/2鼠标等外围设备，提供了良好的交互界面。 Abstract This design bases on an embedded operating system, and uses two pieces of SCM t o take real time control of a suspender’s movement in a planar plane. The system can move in any designed way with the cooperation of two step-motors, and do a quick tracing movement because of a special arithmetic, which is based on an array of photoelect ric sensors. The position’s precision of the movement can achieve a level of millimeter, and its transition time is less than 1 minute. Meanwhile, with a LCD and a mouse which follows PS/2 protocol and other input/output devices, it can provide a friendly and humanistic man-machine conversation. 一、方案论证与比较 从控制系统的角度来看，采用闭环控制方式比采用开环控制的效果要好。但在闭环方式的控制系统中，一般都需要反馈信息。就本赛题而言，如果使用闭环方式进行控制，系统必须得到物体位置的反馈信息。 在方案论证的过程中，我们发现要取得物体位置反馈信息相当困难，采用纯粹的闭环方式控制的难度太大。同时，我们发现如果采用步进电机作为控制系统
悬挂运动控制系统（2005年E题） 一、任务 设计一电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角≤100度）的板上运动。 在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为80cm×100cm。物体的形状不限，质量大于100克。物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。板上标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点,示意图如下。 二、要求
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)。 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1.5cm～1.8cm，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。 三、评分标准 四、说明
1、物体的运动轨迹以画笔画出的痕迹为准，应尽量使物体运动轨迹与预期轨迹吻合，同时尽量缩短运动时间； 2、若在某项测试中运动超过限定的时间，该项目不得分； 3、运动轨迹与预期轨迹之间的偏差超过4cm时，该项目不得分； 4、在基本要求(3)、(4)和发挥部分(2)中，物体开始运动前，允许手动将物体定位；开始运动后，不能再人为干预物体运动； 5、竞赛结束时，控制系统封存上交赛区组委会，测试用板(板上含空白坐标纸) 测试时自带。 电动车跷跷板（F题） 【本科组】 一、任务
悬挂运动控制系统 摘要：悬挂轨迹控制系统是一电机控制系统，控制物体在80cm×100cm 的范围内作直线、圆、寻迹等运动，并且在运动时能显示运动物体的坐标。设计采用AT89S51单片机作为核心器件实现对物体运动轨迹的自动控制，通过多圈电位器实现对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正。以达到对物体的控制和对坐标点的准确定位。采用脉冲宽度调制技术控制直流电机驱动芯片L298，以实现对电机的转速、转向、启停等多种工作状态进行快速而准确的控制。采用红外光电传感器实现检测电机速度和画板上黑色曲线轨迹。 关键词：运动轨迹；多圈电位器；脉冲宽度调制；红外反射光电传感；直流电机驱动 第1章引言 悬挂轨迹控制系统是一电机控制系统。为满足控制需要，本系统采用AT89S51单片机作为核心器件，多圈电位器为物体位置数据采集器件，以L298驱动的直流电机为执行设备，键盘和LED显示为人机接口的结构方式。算法方面通过以微小直线为单位的策略，完成较为复杂的长直线、圆周和不确定曲线。系统软件将物体运动的坐标转化成悬绳伸缩的距离，进而计算出多圈电位器需要转动到的位置，再算出两直流电机的脉冲宽度调制（PWM）值。再通过A/D转换实现对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正。对于系统自定的确定线型（直线和圆周），通过调整两个直流电机不同的PWM值的搭配，可以控制物体的运动方向。而对于不确定的曲线，由光电传感器得到路线信息，经过单片机的处理，给出物体运动方向的指令。 本设计的主要特点： 1、优化的软件算法，智能化的自动控制，误差补偿。 2、使用双动滑轮，有效防止滑轮与拉绳之间打滑。 3、使用多圈电位器与动滑轮同步转动，引入反馈，实现物体精确定位。 4、LED显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示坐标及物体的运动轨迹。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/366902689.html, 悬挂运动控制系统设计方案 作者：胡晓梅李静 来源：《数字化用户》2013年第19期 【摘要】文章介绍了一种智能悬挂运动控制系统的设计方案，该系统采用两片凌阳16位单片机（SPCE061A）作为悬挂控制系统的控制核心，以步进电机作为执行部件，实现对悬挂物体运动的控制。系统通过键盘扫描来完成运动参数和模式的设定，通过LCD实时显示画笔所在的坐标值，以无线传输的方式实现两单片机之间的数据通讯。另外，系统还通过语音播报来显示是否完成给定任务，提供了良好的人机界面。 【关键词】SPCE061A 步进电机 设计一电机悬挂控制系统，控制物体在倾斜（仰角≤100度）的板上运动。 在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为45cm×45cm。物体的形状不限，质量大于100克。板上标有间距为 5cm的浅色坐标线，左下角为直角坐标原点，具体要求示意图如图1。物体能做四种运动：点对点，直线，曲线（圆周），寻迹。 一、悬挂运动控制系统方案 （一）控制器模块。采用凌阳科技股份有限公司的SPCE061A单片机作为系统控制器，该单片机算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现各种算法和逻辑控制，并且由于其成本低、体积小和功耗低等优点，使其在各个领域应用广泛；另外，由于本设计中会用到较多的算术运算，因此非常适合利用单片机作为控制器。 （二）电机类型选择。虽然直流电机具有良好的调速特性，带负载能力强，能承受频繁的冲击负载，而且速度快，但是直流电机的制动性差，很难实现小距离的精确控制，步进电机的准确定位和步进功能可方便而且可以实现提升、调速、定位，且具有一点的快速起停的能力；能准确的检测出速度、运行距离以及时间等参数，可简化编程和硬件连接的工作量。在本设计中，主控制器通过控制电机的步进数来实现物体运动，从而做出各种运动轨迹。 （三）电机驱动电路选择。传统的电机驱动都采用专用驱动器。若采用步进电机专用驱动器，可以为步进电机提供稳定的工作电压和工作电流。但是价格比较昂贵，且对本题来说，电机不需要带大负载，对驱动器没有过高的要求。所以考虑设计者考虑采用H桥形驱动电路。 不仅可以完成对步进电机的驱动，且电路简单，可以由设计者自行制作。电路主要由三极管8050、8550、9012、9014以及一些限流电阻组成，其中单片机I/O口分别通过光电耦合器与驱动电路相连接，增加了系统的抗干扰能力。单片机通过I/O口发出的驱动控制信号，控制步进电机的速度以及正反转，从而实现相应动作。
悬挂运动控制系统 摘要：本系统以单片机89C52为核心,采用了步进电机控制装置、红外寻迹传感装置来实现一个对悬挂物体运动控制系统。友好的操作界面和灵活的监控方式是本设计的两大特色,增强了系统的实用性。 关键词：步进电机；红外传感器；悬挂运动。 一、方案论证与选择 1．题目任务要求及相关指标的分析 题目的基本要求中，要求在150秒内到达设定的一个坐标点以及300秒内画圆或按照设定的轨迹运动,这要求我们对左右两个电机进行灵活、准确、快速的控制,并且有和谐的人机交换功能，才能够满足要求。因此选择合适的电机以及运用有效的算法来对电机进行控制是必需的，我们通过建立合理的数学模型，使两电机控制的绳长依照我们建立的函数关系变化，来实现悬挂物体在板上以各种方式运动。 发挥部分，要求控制物体沿板上标出的任意曲线运动，通过红外传感器寻迹，实现跟踪运动。而显示画笔的位置坐标，则可通过两段绳长变化与原点坐标之间的函数关系来计算，求出当前点的横纵坐标，并在LCD上显示出来。 2．方案的比较与选择 (1)电机的选择 方案一:直流电机 采用单片机和A/D转换构成系统，控制普通电机的步数和旋转方向，可以考虑达林管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速，减小因惯性，速度，步距角过大而引起的调整误差，达到改变绳长的要求，缺点是通过控制直流电机驱动模块将脉冲信号转化为模拟信号，需要将单片机输出的序列脉冲转换，延长了控制的时间，导致控制精度差；关键是直流电机不能即停，使直流电机不能精确定位，满足不了控制误差范围为设定值的要求。 方案二:步进电机 用单片机产生脉冲信号，脉冲信号的占空比为0.5左右，脉冲信号经过功率放大控制步进电机，控制信号为数字信号，不再需要数/模转换；步进电机的速度易于控制，具有快速启/停能力，可在一刹那间实现启动或停止；它的转动角度严格可控，一般情况步距角可以降低到 5.1以下，而采用专用驱动块，可以更加的精确。步进电机延时短，定位准确，精度高，可控制性强。这样我们就可以根据驱动脉冲总数来计算绳子所走过的路程，从而得出坐标和时间。 根据本课题技术指标要求，物体质量大于100克即可，步进电机的输出功率足以满足负载要求；同时根据题目要求运动轨迹与预期轨迹偏差不超过4cm，这对电机有精确的要求，而直流电机难以达到这一指标。综上方案的比较分析，
精心整理 （研究生课程论文） 汽车动力学 论文题目：汽车悬架系统动力学研究 指导老师：乔维高 学院班级： 学生姓名： 学号： 2015
汽车悬架系统动力学研究 摘要：汽车悬架类型的选择和悬架参数的差异对汽车的操纵稳定性和行驶平顺性具有重要的影响。主要分析了麦弗逊悬架的结构特点，并通过ADAMS软件建立麦弗逊悬架的3D模型,对其进行仿真分析,得出悬架参数的优化设计方法。关键词：麦弗逊悬架；ADAMS多刚体动力学；仿真分析 使驾驶者有不同的感受。看似简单的悬架系统综合多种作用力，决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性，是现代轿车十分关键的部件之一。悬架系统起着传递车轮和车身之间的力和力矩、引导与控制汽车车轮与车身的相对运动、缓和路面传递给车身的冲击、衰减系统的振动等作用，汽车悬架系统对汽车的操纵稳定性、行驶平顺性都有很大的影响[1]。通过对麦弗逊悬架的仿真提出其优化分析方法。 麦弗逊悬架系统由两大基本部分组成：支柱式减震器和三角形托臂，具有结构简单，占用空间小，非簧载质量小，且与减震器弹簧配合使用组成一个可相对运
动的结构体，可以实现车身高度和悬架刚度的自由调节。但是,由于主销轴线位置在减振器与车身连接铰链中心和横摆臂与转向节连接铰链中心的连线上,当悬架在变形时,主销轴线也随之改变,前轮定位参数和轮距也都会相应改变,且变化量可能很大。因此,如果悬架结构设计不当,就会大大影响汽车产品的使用性能[2]。 1ADAMS软件简介 ADAMS模块是美国前MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)与德国宝马(BMW)、奥迪(Audi)、法国雷诺( 的整车设计软件包。ADAMS 创建完全参数化的机械系统几何模型， 拉格朗日方程方法， 转向系、发动机、 ADAMS/Car模块中搭建汽 虚拟样机进行试验设计，进 2 由于麦弗逊悬架左右 ,系统会自动地建立另一边的模型。因此,这里建模过程只涉及到左侧悬架。 2.1物理模型的简化 麦弗逊悬架系统主要由车身1、上下摆臂2、转向横拉杆3、减震器及减震弹簧4、转向齿条5、车轮总成6和转向节带制动器总成7组成。悬架各刚体之间的连接关系为：减震器4的上端用螺栓和橡胶衬垫与车身相连接，减震器4下端固定在转向节7上，转向7通过球铰接与下摆臂连接；下摆臂一端通过两个转动铰接与
第七届（2005年）全国大学生电子设计竞赛作品 悬挂运动控制系统（E题） 毕业设计（论文）原创 摘要：悬挂轨迹控制系统是一电机控制系统，控制物体在80cm×100cm的范围内作直线、圆、寻迹等运动，并且在运动时能显示运动物体的坐标。设计采用AT89S51单片机作为核心器件实现对物体运动轨迹的自动控制，通过多圈电位器实现对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正。以达到对物体的控制和对坐标点的准确定位。采用脉冲宽度调制技术控制直流电机驱动芯片L298，以实现对电机的转速、转向、启停等多种工作状态进行快速而准确的控制。采用红外光电传感器实现检测电机速度和画板上黑色曲线轨迹。 关键词：运动轨迹；多圈电位器；脉冲宽度调制；红外反射光电传感；直流电机驱动 ABSTRACT：Hang trajectory control system is a motor control system, object make linear, circle, searching locus and etc locomotion within the range of the 80cm×100cm, while movement system can display the coordinate of the object. Adopt AT89S51 MCU as the main part to realize the automatic control of the object motion locus in this design, system using multiturn potentiometer to measure the position of object, and introduces local closed-loop feedback control system link to correct error, in that case system can improve the accuracy of control and orientation. In this design system also adopt PWM technique control DC motor drive chip L298 to realize the accurate control of motor rotation speed, rotation direction, Start, Stop and etc operating position. System adopt infrared photosensor measure motor rotation speed and drawing locus by black curve on the palette. KEY WORDS:sport trajectory；loopy potentiometer；PWM；infrared photosensor；DC motor driving 第1章引言
悬挂运动控制系统 作者：李岩沈志张海宁 赛前辅导及文稿整理辅导教师：尹仕 摘要：本系统采用SPCE061A单片机作为控制系统的核心，通过光电编码盘实现对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正。在寻迹过程中，采用无线数传通讯的反馈方式替代了有线连接的反馈方式，避免了线缆牵引带来的控制误差。系统采用点阵液晶和触摸控制屏实现了友善方便的人机交互界面。 Abstract:This system adopts the SPCE061A as the kernel of the control system. The system measures the position of the suspender through the photoelectric encoder and the position is been modified by the local feedback. During the seeking mark process, it makes use of the wireless data transmission feedback instead of the lineate feedback to avoid the system control error which brought by the line. The system uses a LCD and a touch screen realizes a friendly and conveniently HMI (Human Machine Interface).
悬挂运动控制系统 作者：黄钦宁李树海莫琼华 (XX师X大学物理与信息工程学院创新基地XX 541004 ) 【摘要】本系统采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制中心，由直流步进电机、红外收发对管、4*4键盘及中文液晶显示屏构成的悬挂运动控制系统。该系统能自由控制悬挂物体完成自行设定运动、画圆运动、沿黑线运动等，并能正确显示物体到达的坐标位置。 【关键词】SPCE061A单片机中文液晶显示屏逼近画圆算法 A Control System For Suspension Movement [Abstract]This design uses SPCE061A as the control core to build a suspension movement control system which consists of a DC step motor, infrared emitting tube, 4X4 keyboard and an LCD display screen for Chinese characters. The system can control the suspended objects to plete the movements set by itself, such as drawing the circles, moving along the black lines and doing other movements. It also can display the correct location of the coordinate where the object reaches.
和各标定点载荷量,对钢丝绳施加标定力,把检测器 夹持于钢丝绳上,稳定后记录显示器读数.由小到大逐级递增标定力的值直到最大值.在完成1次加载过程后,调准传感器的平衡点(零点),进行卸载标定.将上述标定测试过程循环进行3次,从而取得3组标定原始数据供分析计算. 经过对传感器进行加载和卸载2次逆续标定后,利用Matlab 多项式拟和功能[5]对试验数据进行分析处理,得出实际所测的电压值与所需测量的张力值之间的关系:F =-0.021+0.067U ,最后把张力值后送入L ED 进行显示. 为了确保采集数据的准确,系统采用了数据冗余技术,这样可以有效防止因钢丝绳的抖动而造成的测量误差. 5 结束语 从硬件、软件两方面对细钢丝绳在线检测装置 进行了设计,并采取了一系列抗干扰措施来保证测 量精度.现场试验结果表明,该检测装置检测功能强,工作稳定可靠.参考文献: [1] 周绪祥.钢丝绳传统诊断方法的缺陷及科学方法介绍 [J ].鄂钢科技,2001,(3):14-15. [2] 强锡富.传感器[M ].北京:机械工业出版社,2001.[3] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M ].北京:高等教 育出版社,2001. [4] 周立功.L PC900系列Flash 单片机应用技术(上册) [M ].北京:北京航空航天大学出版社,2003. [5] 张志涌.精通Matlab6.5[M ].北京:北京航空航天大学 出版社,2003. 作者简介:李 瑞 (1984-),女,山西临汾人,硕士研究生,研究方向为机电一体化;何永庆 (1953-),男,重庆人,工程师,研究方向为机电一体化. 一种悬挂运动控制系统的近似插补算法研究 叶敦范,刘金全,欧阳才校 (中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074) Research on t he Interpolation Algorit hm of One Cont rol System of Suspended Movement YE Dun 2fan ,L IU Jin 2qu an ,OU YANG C ai 2xiao (Faculty of Mechanical and Electronic Information ,China University of G eosciences ,Wuhan 430074,China ) 摘要:阐述了一种新的悬挂运动控制系统运动轨迹控制算法,通过悬挂系统的椭圆和双曲线轨迹来分别近似模拟二维平台在X ,Y 轴上的直线步进,使悬挂系统也能像二维运动平台那样很好的实现对运动轨迹的控制,并通过Matlab 仿真验证了其具有很好的控制效果. 关键词:悬挂系统;Matlab 仿真;直线插补算法 中图分类号:TP273文献标识码:A 文章编号:100122257(2009)0320031203收稿日期:2008210223 Abstract :This paper p resent s a new pat h t rack cont rol algorit hm of suspended movement cont rol. By separately simulating linear step of 2D platform on X and Y axis using ellip se and hyperbola track of suspended system ,it can cont rol t he movement t rack as well as t he 2D platform does.Simulation on Matlab proves t his system has excellently con 2t rol effect. K ey w ords :suspended system ;Matlab simula 2tion ;linear interpolation algorit hm 0 引言 目前悬挂运动控制系统在国内外许多行业中都有着广泛的应用,随着社会的发展,工业生产越来越要求自动化、省人力、效率高,人们对悬挂运动控制? 13?1机械与电子22009(3)
文章编号:100628244(2009)0420042203 悬挂运动控制系统中软件算法设计与综合调试 In Suspension K inem atic Control System The Soft w are Design And Sythetic T esting 郝朝亮 李心田 吴才章 王伟生 H ao Zhaoli ang L i X i nti an W u Caiz hang W ang Weisheng (河南工业大学 河南郑州 450007) (He N an I ndust ry Uni versit y He N an Zhengz hou 450007) [摘要]本设计以微控制器A T89C52为核心,用直线差补和圆弧插补法实现电机的控制。在充分考虑非电 因素引起运动误差的基础上,根据规定的运动轨迹,建立完善的数学模型。在软件方面,为了有效解决汇编 语言除法运算引起的程序的复杂性,巧妙地通过查表方法,把除法运算转化为定点数加法运算,大大简化了编程量。驱动电路均采用光电耦合器隔离以避免干扰,软件部分利用抗干扰技术进行优化,提高系统可靠性。 [Abstract]In t his st udy ,a microcontroller A T89C52is taken as a center ,t he motor control are realized by linear differential compensated and cirsular plugged compensated met hod.Based on nonelectron factor cause t he kinematic error from consideration and prescreption kinematic locus ,the mat hemation model are estab 2lished.In software ,for solution assembly language division calculation into fixed point which make the pro 2gram complexity ,translation division calculation into fixed point data add calculation by look up table met h 2od ,the programining are simplified.For avidance interference use of t he p hotoelectrical coupler isolation in drive circuit ,optimization software by the anti 2interference 2techque ,t he system reliability are raised. 关键词:定点数 寻迹 单片机 步进电机 K ey w ords :Fixed point data Seek trace Single Chip processor Stemotor 中图分类号:463.33 文献标识码:B 作者简介:郝朝亮(19842),男,现就读于河南工业大学电气工程学院自动化专业 李心田(19842),男,河南工业大学电气工程学院自动化专业 吴才章(19682),男,华中科技大学智能仪器仪表专业博士,副教授,现从事智能测控领域研究和仪器仪表类教学和研究工作。王伟生(19792),男,讲师,昆明理工大学生产过程自动化专业毕业,现从事控制工程和仪器仪表方面的研究和教学工作。 1 引言 本设计以单片机A T89C52为核心,通过控制两台步进电机,使被控物体在倾斜板上完成规定的各种曲线运动;利用方便操作的434键盘设置运动模式和任意点参数,画笔根据设备的运动模式和相应参数,完成预定动作,在运行过程中能实时显示运动状态和画笔的坐标点参数;采用四个光电传感器完成寻迹功能并控制画笔绘制相应的曲线;在充分考虑非电因素(绳子弹性,滑轮直径,两台电机对称性等)引起运动误差的基础上,根据规定的运动轨 迹,将步进电机的转向和步进参数建立完善的数学模型。在软件处理方面,为了有效解决汇编语言除法运算引起的程序的复杂性,巧妙地通过查表方法,把除法运算转化为定点数加法运算,大大简化了编程量。驱动电路均采用光电耦合器隔离以避免干扰,软件部分利用抗干扰技术进行优化,提高系统可靠性。 2 硬件简述 根据系统要求控制器主要用于步进电机和画笔的控制,传感器信号的接收和辨认。本系统控制对 — 24—第23卷第4期2009年12月传 动 技 术 DRIV E SYSTEM TECHNIQU E Vol.23 No.4December 2009