悬挂运动控制系统

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1、悬挂运动控制系统[2005年电子大赛二等奖]文章来源：凌阳科技教育推广中心 作者：浙江大学卢文吉李牡铖陈金龙发布时间：2006-8-2911:18:29摘要：本设计采用凌阳16位单片机SPCE061A作为悬挂运动控制系统的控制核心，实现了悬挂物体的预设轨迹运动、圆周运动、到指定点运动、循迹运动等功能。系统采用方向键盘和字符型LCM作为主要的人机接口，并以语音提示作为辅助；采用专用步进电机控制器，保证了系统精度；"米"字形排列的光电开关作为循迹传感器，实现对任意曲线的循迹。软件上采用对轨迹进行分段取点、邻近点间逐次运动的方式对物体进行控制。关键词：悬挂运动，步进电机，SPCE

2、061A一、方案论证与选择   根据本题要求，系统的简单方框图如图1-1所示：图1-1系统简单方框图   各个模块的作用及实现方案比较如下：　　1.单片机控制模块   单片机控制模块在本系统中处于核心地位。其工作包括处理键盘输入、显示模块控制、响应传感器中断、控制电机运行等。对单片机控制模块的基本要求是具有较高的速度、资源配置满足要求。   方案1：采用MCS-51系列单片机。经典的MCS-51单片机功能和速度有限；而高档的MCS-51系衍生产品价格昂贵、冗余资源较多、使用范围较窄。   方案2：采用凌阳公司推出的SPCE061A单片机及其开发板--61板作为控制模块。  

3、 SPCE061A的CPU时钟为0.32MHz～49.152MHz，速度可以满足电机控制对实时性的要求，也可以满足浮点运算的要求；内置2KWords的SRAM，为浮点运算提供了足够的数据存储器空间；具有7个触键唤醒中段和2个外部中断，可以满足本系统中键盘和传感器对外部中断的要求；SPCE061A可以通过在线调试器Probe和EZ_Probe实现在线程序下载和调试，极大地提高了开发效率。此外使用凌阳公司提供的音频函数库和SPCE061A丰富的时基中断可以方便地实现功能扩展。   鉴于SPCE061A的以上优点，采用方案2。　　2.键盘模块   键盘模块完成参数输入功能。在本系

4、统中我们参考了iPod播放器和电脑显示器中常见的方向键和几个特殊功能键组合完成人机交互功能，而不采用单独的数字键。这样简化了软硬件设计、提升了人机交互体验。　　3.显示模块   完成参数和状态显示，要求有较大的显示容量、占用单片机事件较少。   因为LED数码管显示容量有限，且动态扫描需要占用大量单片机时间，无法做到实时显示，所以本设计中采用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。　　4.循线传感器模块   循线传感器模块用于实现沿任意黑线运动。   采用反射式红

5、外光电开关来实现传感器模块的功能。为了适应不同形状的曲线，采用8支光电开关排列成"米"字形置于黑线上方，如图1-2所示。当光电开关采用此种排列方式时，无论曲线是上-下、左-右、左上-右下、右上-左下走向，均可以有两支以上的光电开关检测到黑线，也可以预测到曲线的走向。   当2、7检测到黑线时，说明物体沿竖直线前进；当4、5检测到黑线时，说明物体沿横线前进；当3、7检测到黑线时，说明曲线将向右转；当1、7检测到黑线时，说明曲线将向左转；……。设物体正沿竖直直线前进，当断线时，则2检测不到黑线，7检测到黑线，此时只要控制物体继续前进，就可以越过断线继续前进；当到达曲线尽头，2检

6、测不到黑线，7检测到黑线（与遇到断线时情况相同），此时控制物体继续前进，直到7也检测不到黑线，这时表明曲线已经走完，控制物体停止前进即可。图1-2"米"字形排列的光电传感器　　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

7、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.电机驱动模块   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。因为本系统中未设置位置传感器，系统对位置的定位完全靠软件来实现，这就要求电机的控制精度必须要高。   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