悬挂运动控制系统设计方案

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。

（四）定位方式选择。物体运行过程中，需要对物体的位置进行定位，物体运行过程中，由单片机记录其绝对位置，并根据当前位置和下一位置计算出悬挂物体的两条线的收缩或伸长量，然后再由此计算出电机的步进量。这样可以达到很高的控制精度。

（五）按键输入模块选择。直接采用4*4矩阵键盘。利用该方案实现按键输入，成本低，可与单片机直接相连，电路设计与连接简单，软件实现对键盘的扫描，完全可达到设计的要求。

（六）曲线跟踪模块。本设计采用红外传感器（RPR220）来实现曲线跟踪，通过安装在所悬挂物体上的红外对管，检测在运动平面上用黑色笔所画的黑色曲线（或黑色胶布），由于黑色吸收发射管所发出的红外线，使接收管接收不到信号，系统通过接收管是否接收到发射管发出的测试信号，通过判断，用于控制步进电机的运动，实现起来简单易行。另外，也可以通过开关型霍尔传感器来跟踪曲线，但这种传感器只能跟踪磁性物质组成的曲线，其成本较高、安装麻烦，并且抗干扰性能也不好，而且容易受环境中磁性物质的干扰。

（七）显示模块选择。液晶显示屏（LCD）具有功耗低、无辐射危险、平面直角显示以及影响稳定等，可视面积大，可以显示汉字也可显示图形，分辨率高，抗干扰能力强，显示内容多等特点。此外，液晶显示器与单片机直接相连，电路设计及连接简单。据设计要求，为了显示图形及汉字，所以采用SPLC501液晶显示屏进行显。

（八）传输方式选择。若采用有线传输，将主控部分和执行部分直接用导线连接，线路连接复杂，不便于远距离控制。所以考虑采用无线传输。不仅可以实现设计要求的功能，而且能够实现远距离控制，并提高抗干扰能力。两个单片机同时使用使端口留有更多的可用空间，以便功能扩展。

（九）系统总体方案及框图。系统包括主控部分、执行部分和检测部分，主控部分包括按键输入模块、显示模块、无线收发模块，执行部分为电机驱动模块和传动机构，监测部分为二、系统的主程序的设计

主程序主要起到一个导向和决策功能，决定整个系统应如何正常运行。悬挂控制系统各种运动状态的实现主要是通过调用子程序完成的。主程序流程图如图3所示。

参考文献：

[1] 谭浩强.C程序设计[M].2版.北京：清华大学出版社，1997

[2]. 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

作者简介：

胡晓梅（1985-），女，助教，本科，研究方向：自动化。联系方式：烟台南山学院，山东龙口。