05年电子设计大赛题论文

1、作者：维文博 丁杰 白博 赛前辅导老师：刘远聪兰建平 胡亚琦摘要本悬挂系统是以两个 AT89C52为核心，用专用步进电机的驱动 SJ-220驱动步进电机控 制坐标图上的笔的位置，通过两个定滑轮配合步进电机，利用控制电机的转速的变化绘制出 所需的图形。利用LCD作为整个过程的显示部分，结合4X 4的键盘输入，控制画图过程的输入。一、设计方案和论证按照题意，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80cmx 100cm的范围内做自行设定的运动， 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300s内完成；控制物体做圆心可任意设定、直径为50cm的圆周

2、运动，限300s内完成；物体从左下角坐标原点出发，在 150s内到达设定的一个坐标原点。在此基础 上，能够显示物体中画笔所在位置的坐标。考虑到测量对象较多，如果使用一个单片机，系统资源将非常紧张，难以达到最佳的控制。因此，采用两片单片机，合理分工，分别控制各 模块的工作。系统框图如图1所示。图1对于各模块的设计，分别讨论如下。1. 电动机及其的选择(1) 电动机的选择方案一：使用步进电机。其优点在于速度易于控制，可以实现快速启停，且转动角度严格可控。可以根据驱动脉冲电流的次数计算小车的行驶距离，省去距离测量这一环节。步进电机的功率大，速度可调，转速稳定，可以达到精密控制。方案二：使用直流电机，

3、用脉冲宽度调节方法，对电机进行控制。但此方案的缺点也很明显，直流电机动起来惯性大，转速不易控制，很难达到精确地控制，误差较大。因此，选择方案一。(2) 电动机驱动模块所用电动机是四相电动机，需要放大4路驱动信号。方案一：采用4路三极管放大电路驱动，该方案电路复杂，可靠性难以保证。方案二：采用专用的步进电机驱动SJ- 220, SJ-220驱动器驱动二相混合式步进电机，该驱动器采用原装进口模块，实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、 高频性能好、起动频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离、电流可选、结构简单、运行平稳、可靠性好、噪声小，带动 2A以下所有的42BYG、57BYG、系列步进电

4、机。这个方案的优点是原理简单、易控制、带负载能力强，在单片机I/O 口的配合下，通过电平控制的方法，实现了对电动机的控制，使设计简单易行。基于上述分析，选择方案二。2. 悬挂线的选择方案一：使用一般的尼龙绳，这种绳子光滑而轻巧，与滑轮之间的摩擦小，结实耐用。但是这种绳子从在的一个缺点就是延展性太大，承载的负载稍微一大， 就会被拉长，所以使用这种绳子，就很难达到精确的控制画笔，使误差变大，甚至超出误差允许的范围。方案二：采用常用的钓鱼线，这种绳子不仅细而光滑，与滑轮之间的摩擦小，而且结实 耐用、延展性极小，能够减小实验中造成的不必要误差，做到更精确的控制。综上所述，选择方案二。3. 坐标纸的选择

5、方案一：采用一般的格子纸，这种纸虽然价格不高，但是不能重复利用，试验几次之后 就得换一张，这样就会造成不必要的经济损失。方案二：使用专用的格子纸， 这种纸表面光滑，用过几次之后，用湿抹布可以擦去笔迹， 可以再次利用，但是这种纸不仅价格很高，而且在市场上很难买到。方案三：为了达到很好的性价比， 我们采用一般的格子纸和透明的塑料玻璃纸，在格子纸上贴上塑料玻璃纸，这样就可以达到反复利用的目的，不仅节省而且又耐用。综合考虑，我们选择方案三。4. 画笔的选择考虑到格子纸表面是光滑的，一般的铅笔很难在上面留下痕迹，而毛笔的吸水性又不是很好，画完之后，墨水会沿着玻璃纸留下来，所以我们得选择下水均匀，而且在玻

6、璃纸上能留下痕迹清楚且均匀的笔，所以有以下方案。方案一：采用记号签字笔，这种笔在纸上可以留下均匀而流畅的笔迹，是很好的选择。但是这种笔在刚刚画完之后，笔迹还可以擦掉，时间一长就很难擦干净了。方案二：使用白板签字笔，这种笔有着和记号签字笔一样的优点，而且这种笔的笔迹随时都可以擦掉。综上所述，我们选择方案二。5. 电源选择方案一：所有器件采用单一电源。这样，供电比较简单，但用SJ 220驱动步进电机时需要的电压至少也要 18V，而继电器的电压要求在 12V左右，这样的高电压远远超过了单 片机的工作电压，很难去正常工作。方案二：双电源供电。将步进电机驱动电源与单片机及其外围电路电源完全隔离。这样,可

7、以消除步进电机驱动导致的干扰，提高系统稳定性。系统稳定性对小车完成既定任务至关重要，因此，采用方案二。6. 显示模块方案一：采用传统的八位数码管（LED）显示时间以及距离。方案二：采用点阵式液晶显示器（LCD）显示各种相关信息。以上两种方案中，方案一编程简单，硬件调试方便，但显示信息量少，功耗较大；而方 案二的点阵式液晶显示器属于低功耗器件，从而使系统更具智能化。因此，选择方案二。7. 小结经过仔细比较和论证， 确定系统各个模块的最终方案如下：采用步进电机，并用继电器配合I/O 口控制电机；驱动用步进电机的专用驱动SJ-220;悬挂线用钓鱼线；画板采用格子纸和玻璃纸共同使用；画笔选用黑色的白板

8、笔；电源选用 18v和5v的直流电源；采用点阵式液晶显示器（LCD）显示各种相关信息。二、设计实现与理论分析计算1. 驱动电动机选择模块采用步进电机作为执行元器件， 步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环 控制元器件。在费超载情况下，电动机转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数， 而不受负载变化的影响，即给电动机加一个脉冲信号，电极则转过一个步距角。因此， 步进电机具有快速起、停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能立即使步进电机启动或反转，而且步进电机的转换精度高，驱动电路简单，非常适合定位控制系统。 图二所示的是步进电机绕阻示意图。给四相绕阻通电的常用方式

9、为单四拍。控制四相绕阻通电的次序，就能使电动机正转或反转，控制通电信号的频率，就能控制电动机的转速。控制换向顺序。通电换向这一过程称为脉冲分配。四相步进电机的单四拍工作方式： 正转时，其各相通电顺序为 A-B-C-D。通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。控制步进电机的转向。如果给定工作方式为正序换相通电，则步进电机正转，如果 反序通电换相，则电动机就反转。图三所示的是步进电机四相单四拍工作方式下电动机正转和反转时，绕阻通电的次序。反转图三步进电机正传反转绕阻通电顺序笆控制步进电机的速度。给步进电机发一个控制脉冲， 它就转一个角度，再发一个脉冲, 它会再转一个角度。

10、两个脉冲的间隔越短， 步进电机就转的越快。 调整单片机发出的脉冲频 率，就可以对步进电机进行调速。2. 步进电动机的驱动电路设计系统中单片机 AT89C52根据案件输入及传感器输出信号进行逻辑判断，控制输出脉冲个数，从而改变两台电动机的输出角位移，改变物体的运动状态。电路主要由三极管9013、三极管8050、互补硅功率达林顿晶体管 ULN2003和光耦元件组成。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 口发送驱动 控制信号，从而控制步进电机的速度及正、反转。一个电动机的驱动电路如图四所示。图中， L1L4分别为步进电机各项绕组。单

11、片机 4个I/O 口分别通过光电耦合器 V1V4,并经三极管 T1T4,达林顿管T5T8 ,对各项 予以驱动。图四 四相步进电机驱动电路3. 显示模块液晶显示器(LCD )具有显示信息丰富、功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显 示器无法比拟的优点，广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。LCD分为段位式LCD、字符式LCD和点阵式LCD。其中，段位式LCD和字符式LCD只能用于 字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线和汉字，可以实现屏幕上下左右滚动、动画、分 区开窗口、反转、闪烁等功能，用途十分广

12、泛。我们所用的是点阵式液晶显示器NH12864S o NH12864S是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128 X 64全点阵液晶组成。可完成图形显示，也可以显示八 (16 X 16点阵)汉字。三、软件算法1. 运动控制建模和实际制作的机械结构模型，建立相应的数学模型，如图五所示。A和B为两个固定滑轮的位置，C点为笔的位置，C点的运动轨迹即为物体的运动轨迹。系统对物体运动的轨迹是直接通过电机转动直接改变a段、b段绳子的长度来进行的，因此本系统中进行了一次坐标转换，将题目规定的直角坐标系转化为以a段、b段长度为变量的坐标系，社转化后的坐标系称为拉线坐标(a,b)。由图五所示的

13、几何关系，根据勾股定理可以得出直角坐标系(x,y)与拉线坐标(a,b)系间的转换关系如下：a = (15 x)2 - (100 y 15)2=.(15 x)2(115 y)22222(式一)15cm15cmb = (80 x 15)2 (100 y 15)2 = (95 x)2 (1 1 5y)2由 而每一 设定起始坐标为图五系统模型本系统的执行机构是步进电机，它的转动及转动速度分别由输入脉冲及脉冲的频率控制,于步进电机的转动是以步距角为单位的，因此物体的运动轨迹是由若干小段组成的，小段都可以用直线或圆弧近似代替。假设运动轨迹的每一小段用直线代替，(x,y)，终点坐标为(m,n),则直线的斜率

14、为(式2)k=3m 一 x假设物体每走一步直角坐标的改变量分别为Ax、可， 即运动到(x + Ax, y + Ay),则此时物体在拉线坐标中各坐标轴改变量分别为-a = (15 x -x)2 (115-y -y)2 - ab = ；.;:'(95 x x)2 (115 - y - y)2 - b经反复测量取平均值得卷丝轴的周长是10.89cm ,即给步进电机施加每 套00 = 91个脉10.89冲，卷丝轴就将绕线1cm. o计算出Aa和Ab后，再通过计算控制发给两个电机的脉冲数就可以对两边拉线长度进行相应的调整，使物体运动到指定的位置。2. 轨迹控制原理和插补算法轨迹控制和插补轨迹控制

15、即控制物体按给定的曲线产生相应的运动，其运动的轨迹就是给定的曲线。由于计算机处理的是数字量，在给出控制命令时，其指令的数值大小及其在时间轴上都不可能是连续的，所以要把这些轨迹分成若干小段，每一小段用直线或圆弧近似代替。轨迹控制的实现是通过控制器每隔一定的距离，给出中间点的坐标信息，控制伺服系统驱动机械运动部件按照指令要求运动，从而得到所要求的轨迹。这种根据指定的数学函数，在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间，确定它们中间点的方法就是插补。插补就是根据给定的数学函数，确定理想轨迹上位于已知点之间的点的方法，其实质 是曲线的拟合。对于插补运算有以下的基本要求：插补所需的原始数据要尽量小；插补的结果没有

16、累计误差，局部误差不差过允许的误差，插补曲线要精确的通过给定的基点； 沿插补路线运动速度恒定； 路线简单可靠；从坐标圆点(0,0)开始，根据横坐标每隔0.5cm确定一个所画图形上的定点(Xi,yi)。当画直线时，则直线的斜率为k=X，则这条直线上每隔0.5cm的定点的坐标依次为(0.5,Xi0.5k), (1, kV- (0.5i, 0.5i - k),通过确定每次的坐标来完成所要画的直线。圆弧插补的基本思想是在满足精度要求的前提下，沿弦或割线进性运动，即用直线逼近圆弧。画法同画直线的方法一样，变化的只是每次的斜率。通过每次的算法/、2 ,、22(x Xi)(y - yi) = r来确定每次的坐标。四、主控程序流程图1. 总流程图六为系统控制的总体流程，控制中主要包括绘制直线、绘制曲线、绘制圆。2. 直线插补程序流程直线插补的程序流程如图七所示。对于其他曲线的插补过程也是类似的，在坐标计算 时换成相应的曲线算法就行了。图六主程序流程图五、测试结果及结果分析 1.测试结果图七直线程序流程图(1)直线测试如下表所示。顿、目次序时间/s路程/cm最大偏差/cm12345(2)圆弧测试如下表示。项目次序 f圆心/坐标半径/cm时间/s最大偏差/cm2.结果分析由以上