悬挂运动控制系统2

全国大学生电子设计竞赛总结报告目录第1章设计任务及要求 (3)1.1 任务 (3)1.2 要求 (3)1.2.1 基本要求： (3)1.2.2 发挥部分 (3)第2章方案论证与比较 (4)2.1 总体方案论证 (4)2.2 单片机的选型 (5)2.3 存储器电路的选型 (6)2.4 键盘与显示电路的选型 (6)2.4.1 键盘电路的选型 (6)2.4.2 显示电路的选型 (6)2.5 电源电路的选型 (6)2.6 电机的选型 (7)2.7 步进电机驱动电路的选型 (9)2.8 光电传感器的选型 (9)2.9 语音播报电路的选型 (10)第3章硬件电路设计 (10)3.1 系统原理框图 (10)3.2 各功能模块设计： (12)3.2.1 单片机的外围部件及接口电路（见附录）： (12)3.2.2 路面引导黑线检测模块的设计 (12)3.3 步进电机驱动电路设计与参数计算 (13)3.4 语音模块的设计 (14)第4章系统软件设计 (15)系统程序流程图： (15)第5章系统组装与调试 (16)全国大学生电子设计竞赛总结报告5.1 系统组装 (16)5.2 系统调试 (16)5.2.1 步进电机的调试 (16)5.2.2 光电传感器的调试 (16)5.3 系统测试： (17)5.3.3 测试仪器： (17)5.3.4 测试结果： (18)5.3.5 “画圆”功能测试： (18)5.3.6 “到达自定坐标点”功能测试： (18)全国大学生电子设计竞赛总结报告摘要本次设计的悬挂运动控制系统，以AT89C52单片机作为系统的检测与控制核心。

根据题目设定的设计要求，采用步进电机控制悬挂物体的运动以实现精确定位，采用光电传感器进行目标曲线的检测与识别以使物体沿预定曲线运动。

本系统基于完备的硬件设计，采用优化算法，快速、准确的实现了任意设定坐标参数，控制物体进行圆周、抛物线等简单曲线运动，沿预定曲线运动等功能。

除完成题目所要求的设计外，本系统还实现了实时显示运动坐标、沿任意she 定的路线行走、语音播报等扩展功能。

关键词：AT89C52 光电传感器步进电机全国大学生电子设计竞赛总结报告AbstractThe one that designed hung the control system of sports, regarded AT89C52 one-chip computer as systematic measuring and controlled the core this time. According to designing requirement that topic establish, is it walk into electrical machinery control movement to hang object accurate to orientate in order to to realize to adopt, adopt photoelectric sensor carry on measuring and discernment , goal of curve so that along curvilinear motion of booking object. This system is designed on the basis of the complete hardware, adopt the algorithm of optimizing, fast , accurate realization establish the parameter of coordinates wantonly , control objects and carry on such simple curvilinear motions as the circumference , parabola ,etc., along booking such functions as the curvilinear motion ,etc.. Besides finishing the design with required topic, this system has also realized that shows such expanded functions as sport coordinate , pronunciation are reported in real time.Keywords：AT89C52 photoelectric sensor step motor全国大学生电子设计竞赛总结报告第1章设计任务及要求1.1 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,1.2 要求1.2.1 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)。

1.2.2 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。

全国大学生电子设计竞赛总结报告第2章方案论证与比较2.1 总体方案论证根据题目的具体要求，我们拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：方案一、仅采用CPLD作为核心部件的方案选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。

CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。

但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势，而且开发成本较单片机高。

此外，该方案具有较大的局限性，如显示部分，检测部分就要占用可编程逻辑器件的大部分资源，造成资源的浪费，而这一些对于单片机来说都是很容易就能实现的。

同时，CPLD的处理速度非常快，而此系统的运动速度不可能太高，那么对系统处理信息的实时性也就不会太高，在这一点上，单片机就已经可以胜任了。

若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题，例如产生一个低频率的方波信号（用于控制步进电机）等等。

为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。

图1 以CPLD为核心的系统框图全国大学生电子设计竞赛 总结报告方案二、仅采用单片机作为核心部件的方案我们采用单片机作为整个系统的核心，用其控制物体的行动轨迹，以实现其既定的性能指标。

充分分析此系统可知，实现本系统的关键在于运动方程式的建立、电机控制以及光电传感器的检测与识别。

其中电机控制以及光电传感器的检测与识别是典型的控制问题，采用可以进行位操作的单片机是十分理想的选择。

而实现算法所需要的乘除法、平方、开根号等运算，对于实时性要求不高的系统来说，单片机完全能够胜任。

另外，单片机还具有价格低廉、开发周期短、接口丰富等优势。

因此，我们决定采用方案二，即采用单片机作为系统的控制核心。

2.2单片机的选型针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，我们需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O 口和程序存储器的小体积单片机，D/A 、A/D 功能也不必选用，根据这些分析我们选定了AT89C52单片机作为本设计的主控装置。

52系列单片机具有功能强大的位操作指令，I/O 口均可按位寻址，程序空间多达8K ，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是52系列单片机图2 以单片机为核心的系统框图全国大学生电子设计竞赛总结报告价格非常低廉。

考虑到寻线系统复杂性，我们设置了多个传感器，输入量比较多，单片机还要控制两部步进电机，再加上RAM、显示器、键盘、语音播报模块，一片89C51单片机的I/O口远远不够，为此我们采用三片单片机，分别负责电机的控制、输入输出设备的控制以及信息处理。

2.3存储器电路的选型我们的算法是先生成运动轨迹的坐标信息，然后再驱动步进电机按坐标信息运动。

每个点需要存储两路（X、Y）信息，每路信息用两个字节，高字节存储整数（精确度为厘米）、低字节存储小数（精确度为毫米），如此可将取点精确度提高到毫米级，比设计要求高一个数量级。

因此，一个点需要四个字节的存储空间。

如要提高曲线的圆滑程度，提高取点精度是一个有效的方法。

我们设定物体运动的最远距离为200cm，取点精度为0.5cm一个点，则需要存储一千个点，即需要4k的存储空间。

89C52单片机的数据存储空间为256字节，只能存储64个点，远远达不到设计要求。

鉴于此，我们外扩一个8k的静态存储器（HM62256B），为算法的实现提供了坚实的基础。

2.4键盘与显示电路的选型2.4.1键盘电路的选型由于本次设计要求输入悬挂物体的坐标参数，再加上人机交互界面的设计，要求有较多的按键，我们采用3×3键盘，通过扫描方式控制。

2.4.2显示电路的选型配合单片机使用的显示电路较常见的是数码管和液晶显示器。

虽然数码管显示明亮且造价低，但其只能显示数字，经过考虑我们选用点阵型液晶显示器CO0411（128×64）作为显示部件。

2.5电源电路的选型本设计选用的单片机和光电传感器电路需要5V电压工作，步进电机需要9V电压工作，于是我们自制电源电路，设置了两路9V、一路5V输出。

由于步进电机正常运转需要600mA电流，小于78系列稳压芯片的最大输出电流全国大学生电子设计竞赛 总结报告 1 2 3 （1A ），故电压转换电路采用78系列芯片。

2.6电机的选型根据题目的设计要求，控制物体的移动可以转化为控制两条绳长的变化量，可能选用的电机主要是直流电机和步进电机。

方案一：选用直流电机进行开环控制。

由于直流电机的驱动电压与转速的关系受其负载影响很大（物体在不同的位置与其产生的对电机的拉力是一个复杂的函数关系），因此无法精确控制绳长的变化量。