驱动，从单片机用于信号检测和运动滑块坐标的实时显示。执行机构采用无 相四线制步进电机带动，定位精度高，误差不随转数累加，驱动电路采用双桥结构的 电机驱动芯片，由主单片机输出环形脉冲序列直接驱动。本题的难点在于控制算法的实现， 我们对控制系统进行了精确的数学建模，得到了步进电机输出和绘图滑块的运动坐标的精确 对应关系，并把绘图区的坐标信息建立成表格存储在中，通过查表的方式来计算得到 控制输出量。我们的控制系统达到了很好的控制精度，基本上完成了题目的要求。 关键字单片机步进电机数学建模查表 , , , , , , 原点 设计任务及要求 设计任务 设计电机控制系统，控制物体在倾斜的板上运动。 在白色底板上固定两个滑轮，两只电机，通过穿过滑轮的吊绳控制物体在板上 运动，运动范围为。物体的形状不限，质量大于克。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。板上标有间距为的浅色坐标线，左下角为 直角坐标原点。 设计要求 基本要求 控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数 控制物体在的范围内做自行设定的运动，运动轨迹长度不小于 ，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限秒内完成 控制物体做圆心可任意设定直径为的圆周运动，限秒内完成 物体从左下角坐标原点出发，在秒内到达设定的个坐标点两点间直线距离 不小于。 发挥部分 能够显示物体中画笔所在位置的坐标 控制物体沿板上标出的任意曲线运动，曲线在测试时现场标出，线宽 ，总长度约，颜色为黑色曲线的前部分是连续的，长约 后部分是两端总长约的间断线段，间断距离不大于沿连续 曲线运动限定在秒内完成，沿间断曲线运动限定在秒内完成 其他。 方案比较与论证 根据题目的技术指标和要求，系统可分为机械部分定位产生较大误 差。光电鼠标中发光二极管照亮采样表面，对比度强烈的待采样影像通过透镜在 上成像，将光学影像转化为矩阵电信号传输给，则将此影像信号与存储的 上采样周期的影像进行比较分析，然后发送个位移距离信号到接口电路。这样就可 以实时跟踪，且定位准确精密，但对于光电鼠标的输出信号掌握不算成熟，而且不便于 单片机利用和控制，在使用上有定的障碍。 方案二由于滑块位置由连接滑轮的两根线的长度唯确定，所以可测量电机转数 来计算绳子的位移量，这种方法简便易行，测试简单，通过建立数学模型即可实现，且 有较准确的控制精度。 基于上述理论分析，拟选择方案二。在测量电机转数时又有几种方案可供选择 采用霍尔集成片。 采用断续式光电开关。 采用鼠标内部的机械滚轮部分。 这三种方案都比较可行，尤其是霍尔元件，在工业上得到广泛采用。但此题中没有 较大的轮轴，磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。断续式光电开关精度较高， 但透射光栅制作较为复杂，且市场上没有成品可以买到。机械滚轮结构兼有其上两种方 案的优点，且安装简便，电路最为简单，因此拟采用第三种。 纸面线段寻迹模块 探测黑线的大致原理是光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同， 可根据接收到的反射光强弱判断滑块是否处在黑线上。 方案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 在与其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，旦外界光亮条件改变，很可 能造成误判和漏判虽然采取超高亮发光管可以降低定的干扰，但这又将增加额外的 功率消耗。 方案二不调制的反射是红外反射接收器。由于采用红外管代替普通可见光管， 可以降低环境光源干扰，但如果直接用直流电压对管子进行供电，限于管子的平均功率 要求，工作电流只能在左右，仍然容易受到干扰。 方案三脉冲调制的反射是红外反射接收器。考虑到环境光干扰主要是直流分量， 如果采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰。 基于上述理论分析，拟采用方案三。 系统硬件设计与实现 系统硬件结构总体设计 本题是个机电智体化的综合设计，在设计中运用了自动控制技术和电子技 术，系统可分为机械制作和智能控制部分。 机械加工部分为了达到所要求的控制精度，它是整个作品的基础，是制作成功的保证。 它包括材料的选取器件的选择绘图板的制作图纸的绘制机械和传感器部分的 安装，五部分组成。 电气和智能控制部分单片机将控制信号传输到电动机，电动机完成对控制信号的响应。 它包括单片机最小系统板数码管显示和键盘控制电路电机驱动电路。完成整个系 统的显示控制功能。 系统主要单元模块的设计与实现 机械部分的设计 固定的木板选用长厘米宽厘米的木板，在作图纸上打印间距为厘米的 浅色坐标线，用图钉固定在木板上。按照要求固定滑轮和电机，为了方便连接，电机放 在木板上方。滑轮是专门为这个作品设计加工的，能够防止导线在运动过程中滑出，同 时质量很小能够减小转动惯量，同时也增大了电机的驱动能力。导线选取的是弹性形变 十分小质量轻高强度的有机细线。这样使电机的转轴半径变化量降到最小，是由于 绕线重叠造成的力矩和转动惯量的变化降到最低，有利于减少系统的干扰因素，提高系 统的精度和可靠性。 由于本设计方案通过控制步进电机转数来改变绳长从而控制滑块运动，所以机械 部件自身和安装尺寸上都要求精密。在机械部分设计时我们主要考虑以下几点。 按照要求固定滑轮和电机，为了方便连接，电机放在木板上方。 滑轮是专门为这个作品设计加工的，能够防止导线在运动过程中滑出，同时质量 很小能够减小转动惯量，同时也增大了电机的驱动能力。 步进电机每步的角度确定，精度取决于电机上的绕线轮的半径，所以此轮的半径 应尽量小，这里我们加工的绕线轮半径为。 绳子绕在轮上时不定很均匀，若叠在起会使绕线的半径有变化当滑块处于 不同坐标点时绳上拉力不同，如果绳子有弹性，此时绳长就会有所变化。基于上 述考虑，我们选取了比较常见的缝鞋用的有机细线，这种线直径极小不到， 基本没有弹性，且质量轻强度高，是很合适的选择。 在安装时应尽量使两滑轮的中心滑块重心线绳与轮轴相切点在同平面内， 而且滑轮要能自由滚动尽量减小摩擦。 这样设计使电机的转轴半径变化量降到最小，是由于绕线重叠造成的力矩和转动 惯量的变化降到最低，有利于减少系统的干扰因素，提高系统的精度和可靠性。 智能控制部分的设计 单片机最小系统的设计 核心单片机选用，它是款低电压，高性能位单片机， 片内含的可反复擦写的只读程序存储器和的随机存取数 据存储器，兼容标准指令系统，引脚兼容和芯片， 采用通用编程方式，片内置通用位中央处理器和存储单元。由于本系统的 主要控制数据是通过查表的方式获得的，且数据量比较大，为此我们在最小系统板 上外扩了块的。该单片机主要负责控制信号的输入绘图控 制算法的实现和两个步进电机的驱动，同时预留出串行通讯口已接受来自从单片机 的处理后的检测信息。 从单片机的工作量比较小，我们采用了比较通用的可再现编程的单片 机。它主要负责检测和处理来自机械测速器和光电传感器的信号并加以处理，同时， 它还预留了实时显示滑块坐标的功能。它最终把处理后得到的位置信息通过串口传 送给主单片机，进行位置校准。 数码管显示和键盘控制电路 键盘显示电路的核心芯片采用公司生产的通用可编程键盘和显示器电 路的接口电路芯片。 可以实现对键盘和显示器的自动扫描，识别闭合键盘产生的抖动，实现 显示器动态显示，可以节省处理键盘和显示器的时间，提高的工作效率。 另外，单片机的接口简单，工作可靠。可以简化键盘显示电路，驱动两组四位 的共阴数码管和十六个键的键盘，为了应用方便我们将键盘和放在了起数 码管及其驱动电路放在了起如图所示，也放在了显示电路中如图 所示。的使能端和数据端口与单片机相连，单片机对显示的数据进行控制同时 页在对键盘进行扫描，等待触发。 和键盘电路图图 数码管显示电路图图 电机驱动电路 题目中滑块质量为大于克的物体，用双电机驱动，电机的驱动力矩不需要 太大但如果没有定的余量步进电机容易出现丢步现象，所以我们选用公 司的型步进电机，步距角为度步，最大静力矩克每厘米，定 位力矩小于等于克每厘米。 驱动芯片选用。是款双桥驱动器可以提供高电压大电流的驱 动芯片。可以避免用分立元件带来的设计问题，电路异常简洁，其最大驱动 能力为。它可以由单片机直接驱动，输出脉冲波型对电机进行控制，由 图可以看到，有四个输入接口和四个输出接口，他们分别与单片机的口 对应相连，还有两个控制使能端，控制输出。为了节省单片机资源我们将 两个使能端都直接置高，使输出仅由单片机控制，使得控制更灵活方便又节约资源。 我们可以看到芯片共有两个输入电压，伏为芯片工作电压，伏为输出电压。 由单片机输出的五伏弱电流信号经过芯片内部电路的变化输出为伏的恒流信号， 四个输入口依次通过脉冲，例如顺序是电机顺时针转 动，通电顺序是，那麼电机逆时针转动，在电机的每个输出口两端分 别加个二极管，这样是为了防止电机在断电的瞬间产生的感应电动势将器件烧毁。 如图所示。 型步进电机是五线四相制电机，有五条引线与驱动芯片相连，这五根 引线中有条是公共地线，通过查找相关资料和反复试验的基础上，我们确认橙色线 是地线，而且通电顺序是红线黄线棕线绿线，或通电顺序相反则反向旋转。 图电机驱动电路图 目录 摘要与关键字 第章设计任务及要求 设计任务 技术要求 基本要求 发挥部分 第二章模块方案比较与论证 电动机驱动调速模块 控制器模块 滑块位移检测模块 纸面线段寻迹模块 第三章系统硬件设计与实现 系统硬件结构总体设计 系统主要单元模块的设计与实现 机械部分的设计 智能控制部分的设计 第四章系统软件设计 运动机构数学模型的建立 控制系统程序的设计与实现 控制程序总体设计 第五章系统测试 测试仪器 指标测试 自行设定运动测试 圆周运动测试 键盘输入坐标点并运动到该点的测试 第六章总结 参考文献 致谢 附录 摘要 本系统的控制部分采用两块单片机实现和，主单片机用于控制 信号输入和电机驱动，从单片机用于信号检测和运动滑块坐标的实时显示。执行机构采用无 相四线制步进电机带动，定位精度高，误差不随转数累加，驱动电路采用双桥结构的 电机驱动芯片，由主单片机输出环形脉冲序列直接驱动。本题的难点在于控制算法的实现， 我们对控制系统进行了精确的数学建模，得到了步进电机输出和绘图滑块的运动坐标的精确 对应关系，并把绘图区的坐标信息建立成表格存储在中，通过查表的方式来计算得到 控制输出量。我们的控制系统达到了很好的控制精度，基本上完成了题目的要求。 关键字单片机步进电机数学建模查表 , , , ,