悬挂运动控制系统(E题)设计报告之欧阳家百创编

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

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。

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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。

二、方案论证与选择

1.核心控制模块的选择

方案一：FPGA/CPLD方式。即用FPGA/CPLD完成键盘定义与识别、电机工作状态选择与切换、液晶电路的驱动与控制等功能。这种方案的优点在于系统结构紧凑、操作方便，而且可以使用的I/O口线很多；缺点是调试时需要接很多接线，过程繁琐，而且使用CPLD时，由于其内部没有ROM，对功能的实现有所限制。

方案二：单片机方式。即由单片机、电机驱动电路及电机等组成系统。使用单片机也可以完成键盘定义与识别、电机工作状选择与切换等功能，组成的系统规模较小，有一定灵活性，而且可以使用我们比较熟悉的单片机最小系统电路板，减少了工作量。该控制方式需要单片机具有较大的程序存储量，所以可选择存储量为8K的AT89S52单片机。

基于以上分析，拟选用方案二。

2.电机及其驱动模块的选择

电机驱动模块是本系统的执行机构，用于控制悬挂物体的运动。

方案1：采用普通小型直流电机。普通直流电机由于其自身结构的限制，控制精度很低，无法达到系统要求的指标，这里不予采用。

方案2：采用专用步进电机驱动器及与其配套的步进电机。用这种方案的控制精度、效率和可靠性都很高。

根据精度要求选择方案二。

3.黑线探测模块

方案一：采用多路阵列式光敏电阻组成的光电探测器。因为光敏电阻探测到黑线时，黑线上方的电阻值发生变化，经过电压比较器比较将信号送给单片机处理，从而控制物体做相应的动作。但由于光敏电阻对环境光的识别，容易受到外界环境光的影响。，

方案二：采用红外反射式探测，即用已调的红外线垂直射到板面，经反射后转换为电信号送入单片机处理。由于使用的是红外线，不受外界自然光的影响，循迹效果好。

基于上面的讨论，选用了抗干扰能力强的方案二。

4.显示方案的选择

方案一：采用LED数码管显示器。LED 数码管亮度高，醒目，但是其电路复杂，显示信息量较小，且动态扫描需要占用大量单片机时间，无法做到实时显示。

方案二：采用汉字LCD液晶显示器。LCD有明显的优点：微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适。

本设计中采用1602字符型LCM。1602字符型LCM克服了LED 数码管的缺点，具有显示容量大、占用单片机口线少、节省单片机时间、功耗低等优点，完全符合本系统要求。

5.位置传感模块位置传感模块用于实现"显示画笔位置"的功能。对于这个模块可以有硬件和软件两类解决方案。方案1：在物体上安装水平和垂直方向的两只激光笔，在板边缘每条坐标线旁边安装一光电传感器，物体坐标所在处的传感器接收到激光笔，即可确定物体位置。可见本方案共需要180个光电传感器，造成此方案几乎不可实现。方案2：采用软件的方法确定物体位置。单片机控制物体从某个已知的坐标位置出发，并且记录步进电机的每一次移动情况，就

可以通过一定的算法计算出物体的位置。这种方案没有位置传感器，精度较低，但是系统简单。避免了硬件方案过于复杂的缺点。

本设计使用方案2。

6.键盘模块

本模块采用即插型按键，接在最小系统的P2.0—P2.7，采用了4×4的16点阵键盘。可以键入1—9的数字，即可以输入点的坐标值(X，Y),以及清除，确定，等功能按键。

三、系统具体设计实现

1、硬件电路的设计

（1）系统的总体设计方案

如图3-1所示采用AT89S52单片机作为运动物体的控制中心，进行数学计算、对光电传感器送来的信号进行处理来控制运动物体的运行方向、计算运行物体的坐标位置、LCD数据显示、键盘控制等。

图3-1系统方框图

（2）黑线检测模块电路

黑线检测模块电路图3-2所示。当红外线反射式光电传感器ST178位于黑线之上时，光电开关输出高电平；反之，输出低电平。光电传感器输出电平后接反相器74LS04以稳定电平和增大驱动能力。本设计采用8个红外传感器实现对黑线的检测，通过并口转串口芯片74LS165将数据串行传送到单片机。