电子设计大赛悬挂运动控制系统论文

悬挂运动控制系统

摘要：悬挂轨迹控制系统是一个电机控制系统，控制物体在80cm×100cm的围作直线、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STC89C58单片机作为核心器件实现对物体运动轨迹的自动控制，采用脉冲宽度调制技术控制步进电机28byj48驱动芯片L293，以实现对电机的工作状态进行快速而准确的控制。采用红外光电传感器st178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；红外反射光电传感；步进电机驱动，寻轨

引言

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、计算机控制技术等容，例如在工厂、码头往往需要将货物从一点搬往另一点，如使用悬挂控制系统更方便、安全。在此基础上还可设计成基于三线悬挂结构的运动控制装置。所谓三线悬挂是指，将三根缆线系于一点并悬挂重物，且三根缆线分别挂在三个固定滑轮上，其长度由电机驱动的三个绕线轮分别控制，从而控制悬挂重物在三维空间中的位置。其中原理和悬挂轨迹控制系统是一样的。

本系统所涉及的核心问题主要有：

1、对电机的控制从而进行快速而准确的控制，以保证悬挂物体按照预先设定或即时设定的运动轨迹运行。

2、为保证该运动物体能在尽可能短的时间按设定运动轨迹从起始点到达目标点，还需要相应的设定及显示电路。

本设计的主要特点：

1、优化的软件算法：毫米级计算，减小截断误差；优化的画圆算法，使画圆更精确平滑。

2、人性化的LCD人机对话界面，对系统坐标参数进行设置，并实时显示悬挂物体当前坐标。

3、精细的画笔设计，减小系统运行的误差。

4、8向寻轨系统，使寻轨更精确、灵敏。

我们分以下几个部分进行方案设计和比较论证。

一、方案论证和比较

1控制器结构方案

方案一：采用FPGA为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步进电机运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。

方案二：采用STC89C58作为系统控制的方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用STC89C58处理输入的数据并控制电机运动。

综合上述两种方案，方案一虽然精度较高但难道较高，成本较大，方案二较为简单，可以满足设计要求，因此选择方案二。

2电机的选择方案

方案一：采用直流电机。直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速）、调速围宽、低速性能好（起动转矩大、起动电流小）、运行平稳、噪音低、效率高等方面，但是精度较低。

方案二：采用步进电机。步进电机具有控制简单、定位精确、无积累误差等优点。但它在运行时噪音大、高速扭矩小、启动频率低。

基于上述比较，只要为了方便地对运动精确无累计误差，这里我们采用步进电机。

3电机驱动及运动方案

方案一：采用继电器对电动机的开和关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。

这个方案的优点是电路较为简单，实现容易；缺点是继电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短。

方案二：采用集成有达林顿管组成的H型的功率变换桥电路的恒压恒流桥式2A驱动芯片。用单片机输出PWM信号控制使之工作在占空比可调的开关状态，通过程序调节占空比精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。

方案三：采用DSP芯片，配以电机控制所需要的外围功能电路，通过数控电压源调节电机运行速度，实现控制物体的运动轨迹。该方案优点是体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。但系统软硬件复杂、成本高。

基于上述理论分析和实际情况，拟定选择方案二。

4寻轨模块方案

探测板上黑线的大致原理是：光线照射到板面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接受到的反射光强弱判断是否偏离黑线。

检测板上黑线的基本原理是：光线照射到板上并反射，由于黑线和白纸的反系数不同，根据接收到的反射光强弱判断是否黑线。

方案一：可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判，即使是采用超高亮发光二极管可以降低一定的干扰，但这将增加额外的功率损耗。方案二：脉冲调制的反射式红外发射-接收器。采用带有交流分量的调制信号，可以大幅的减少环境光源的直流分量的干扰，但由于该红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，该最大电流需要通过调节占空比来调节；而且需要添加额外的电路和程序，本题中并不需要很大的电流，故不需要采用该管子。

方案三：不调制的反射式红外发射-接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，可以有效的降低环境光源的干扰，尺寸小、质量轻、灵敏度高，对辅助装置的要求最少，对人眼无伤害，采用不调制的反射式红外发射-接收器完全可以有效的降低干扰，而且方便可行，能够准确的实施检测。

基于上述考虑，我们决定采用方案三。通过对比，这次设计中由于是近距离探测，故采用方案三来完成数据采集。由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小。同时红外线系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。反射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定可靠。

二、系统硬件设计

本系统的控制芯片采用的是STC89C58，其最小系统原理图如下：

1画笔设计

从题干的要求和示意图中可以看到，物体在运动时在板上画出运动轨迹。在编写程序时，需要考虑到画笔的位置，以使因配件产生的误差减小到最小。因此，如示意图所示，画笔位置在重物中心最为合适。重物质量要大于100克，而画笔在固定在重物中心，这就要求重物