悬挂运动控制系统

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