1、懸掛軌跡運動控制系統畢業論文      摘要：懸掛軌跡控制系統是一電機控制系統，控制物體在80cm×100cm的范圍內作直線、圓、尋跡等運動，并且在運動時能顯示運動物體的坐標。設計采用AT89S51單片機作為核心器件實現對物體運動軌跡的自動控制，通過多圈電位器實現對懸掛物位置的精確測量，并引入局部閉環反饋控制環節對誤差進行修正。以達到對物體的控制和對坐標點的準確定位。采用脈沖寬度調制技術控制直流電機驅動芯片L298，以實現對電機的轉速、轉向、啟停等多種工作狀態進行快速而準確的控制。采用紅外光電傳感器實現檢測電機速度和畫板上黑色曲線軌跡

2、。關鍵詞：運動軌跡；多圈電位器；脈沖寬度調制；紅外反射光電傳感；直流電機驅動ABSTRACT：Hang trajectory control system is a motor control system, object make linear, circle,  searching locus and etc locomotion within the range of the 80cm×100cm, while movement system can display the coordinate of the object. Adopt AT89S51 MCU as

3、the main part to realize the automatic control of the object motion locus in this design, system using multiturn potentiometer to measure the position of object, and introduces local closed-loop feedback control system link to correct error, in that case system can improve the accuracy of control an

4、d orientation. In this design system also adopt PWM technique control DC motor drive chip L298 to realize the accurate control of motor rotation speed, rotation direction, Start, Stop and etc operating position. System adopt infrared photosensor measure motor rotation speed and drawing locus by blac

5、k curve on the palette.KEY WORDS:sport trajectory；loopy potentiometer；PWM；infrared photosensor；DC motor driving 第1章 引 言運動控制是自動化技術的重要組成部分，是機器人等高技術領域的技術基礎，已取得了廣泛的工程應用。運動控制集成了電子技術、電機拖動、計算機控制技術等內容，例如在工廠、碼頭往往需要將貨物從一點搬往另一點，如使用懸掛控制系統更方便、安全。在此基礎上還可設計成基于三線懸掛結構的運動控制裝置。所謂三線懸掛是指，將三根纜線系于一點并懸掛重物，且三根纜線分別掛在三個固定滑輪上，

6、其長度由電機驅動的三個繞線輪分別控制，從而控制懸掛重物在三維空間中的位置。其中原理和懸掛軌跡控制系統一樣的。懸掛軌跡控制系統是一電機控制系統。為滿足控制需要，本系統采用AT89S51單片機作為核心器件，多圈電位器為物體位置數據采集器件，以L298驅動的直流電機為執行設備，鍵盤和LED顯示為人機接口的結構方式。算法方面通過以微小直線為單位的策略，完成較為復雜的長直線、圓周和不確定曲線。系統軟件將物體運動的坐標轉化成懸繩伸縮的距離，進而計算出多圈電位器需要轉動到的位置，再算出兩直流電機的脈沖寬度調制（PWM）值。再通過A/D轉換實現對懸掛物位置的精確測量，并引入局部閉環反饋控制環節對誤差進行修正。

7、對于系統自定的確定線型（直線和圓周），通過調整兩個直流電機不同的PWM值的搭配，可以控制物體的運動方向。而對于不確定的曲線，由光電傳感器得到路線信息，經過單片機的處理，給出物體運動方向的指令。本設計的主要特點：1、優化的軟件算法，智能化的自動控制，誤差補償。2、使用雙動滑輪，有效防止滑輪與拉繩之間打滑。3、使用多圈電位器與動滑輪同步轉動，引入反饋，實現物體精確定位。4、LED顯示模塊提供一個人機對話界面，并實時顯示坐標及物體的運動軌跡。 第2章 系統功能及基本原理2.1 設計任務1、控制系統能夠通過鍵盤或其他方式任意設定坐標點參數；2、控制物體在80cm×100cm的范圍內作自行設定

8、的運動，運動軌跡長度不小于100cm，物體在運動時能夠在板上畫出運動軌跡，限300秒內完成；3、控制物體作圓心可任意設定、直徑為50cm的圓周運動，限300秒內完成；4、物體從左下角坐標原點出發，在150秒內到達設定的一個坐標點(兩點間直線距離不小于40cm)； 圖2.1 懸掛控制示意圖5、控制物體沿板上標出的任意曲線運動，如圖2.1所示，曲線在測試時現場標出，線寬1.5cm1.8cm，總長度約50cm，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續的，長約30cm；后一部分是兩段總長約20cm的間斷線段，間斷距離不大于1cm；沿連續曲線運動限定在200秒內完成，沿間斷曲線運動限定在300秒內完成； 6、能

9、夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標，運動軌跡與預期軌跡之間的偏差不得超過4cm。2.2 系統基本方案根據設計要求，需要實現勾畫設定軌跡和對設定軌跡的搜尋功能，并能實時的顯示物體中畫筆所在位置坐標。其系統方案框圖如圖2.2所示。圖中多圈電位器安裝在兩個動滑輪上，電機收放線長度就會通過多圈電位器轉換成電壓值，通過A/D轉換后送入單片機；反射式光電傳感器對黑線進行檢測，以脈沖信號的形式送入單片機，同時按鍵信號送入單 片機對物體進行設置校正以及軌跡參數設定，控制器對送來的信號進行分析、運算、處理，將控制信號輸送到電機驅動模塊，控制電動機的轉速,使物體的運動軌跡得以控制。第3章 方案論證和比較根據題目要求可

10、知，本系統所涉及的核心問題主要有：1、對電機的轉速、轉向、啟停等多種工作狀態進行快速而準確的控制，以保證懸掛物體按照預先設定或即時設定的運動軌跡運行。2、為保證該控制系統的精度要求，必須對運動物體在畫板上的具體位置（坐標點）進行實時的檢測。3、為保證該運動物體能在盡可能短的時間內按設定運動軌跡從起始點到達目標點，還需要相應的設定及顯示電路。我們分以下幾個部分進行方案設計和比較論證。3.1 控制器模塊根據題目要求，控制器主要用于控制電機，并對坐標參數進行處理，控制電機移動方向。對于控制器的選擇有以下兩種方案。方案一：采用FPGA為系統的控制器，FPGA可以實現各種復雜的邏輯功能，模塊大，密度高，

11、它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩定性，并且可應用EDA軟件仿真、調試，易于進行功能控制。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模實時系統的控制核心。通過輸入模塊將參數輸入給FPGA，FPGA通過程序設計控制步進電機運動，但是由于本設計對數據處理的時間要求不高，FPGA的高速處理的優勢得不到充分體現，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。方案二：采用AT89S51作為系統控制的方案。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制。由于其功耗低

12、、體積小、技術成熟和成本低等優點，各個領域應用廣泛。并且，由于芯片引腳少，在硬件很容易實現。因此，在本設計中采用AT89S51處理輸入的數據并控制電機運動。綜合上述兩種方案，方案二較為簡單，可以滿足設計要求。3.2 電機的選擇方案一：采用直流電機。直流電機具有最優越的調速性能，主要表現在調速方便（可無級調速）、調速范圍寬、低速性能好（起動轉矩大、起動電流小）、運行平穩、噪音低、效率高等方面。方案二：采用步進電機。步進電機具有控制簡單、定位精確、無積累誤差等優點。但它在運行時噪音大、高速扭矩小、啟動頻率低、價格較高。基于上述比較，為了方便地對電機進行無級調速，和需要電機帶負載能力強的特點，這里我

13、們采用直流變速電機。3.3 驅動及調速方案    方案一：采用繼電器對電動機的開和關進行控制，通過開關的切換對電機的速度進行調整。這個方案的優點是電路較為簡單，實現容易；缺點是繼電器的響應速度慢、機械結構易損壞、壽命較短。方案二：采用內集成有達林頓管組成的H型的功率變換橋電路的恒壓恒流橋式2A驅動芯片。用單片機輸出PWM信號控制使之工作在占空比可調的開關狀態，通過程序調節占空比精確調整電機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單實現轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩定性也極強，是一種廣泛采用的PWM調速技術。方案三：采

14、用DSP芯片，配以電機控制所需要的外圍功能電路，通過數控電壓源調節電機運行速度，實現控制物體的運動軌跡。該方案優點是體積小、結構緊湊、使用便捷、可靠性提高。但系統軟硬件復雜、成本高。基于上述理論分析和實際情況，擬定選擇方案二。3.4 速度采集方案方案一：采用霍爾集成片。該器件內部由三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應，金屬板發生橫向導通，因此可以在電機上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數進行電機速度的檢測。方案二：采用對射式光電傳感器。其檢測方式為：發射器和接受器相互對射安裝，發射器的光直接對準接受器，當測物擋住光束時，傳感器輸出產生變化以指示被測物被檢測

15、到。通過脈沖計數，對速度進行測量。由于電機的收線輪直徑較小，將傳感器安在電機上容易產生測量誤差，將傳感器安在滑輪上可以減少收線引起的誤差。方案三：采用多圈電位器式傳感器間接測量方式。通過杠桿機構將線位移轉化為電阻值的變化，再根據電阻與速度之間的關系實現速度的檢測。以上三種方案都是比較可行的方案。尤其是霍爾元件，應用得很廣泛。方案一和方案二的精度都會有一定的限制。要達到本設計的要求會給制作帶來難度；鑒于此情況選選擇多圈電位器更好，遠遠滿足本設計的精度要求。3.5 尋跡模塊探測板上黑線的大致原理是：光線照射到板面并反射，由于黑線和白紙的反射系數不同，可根據接受到的反射光強弱判斷是否偏離黑線。方案一

16、：采用熱探測器。由于溫度變化是因為吸收熱能輻射能量引起的，與吸收紅外輻射的波長沒有關系，即對紅外輻射吸收沒有波長的選擇，因此受外界環境影響比較大。方案二：使用發光二極管和光敏三極管組合。這種方案的缺點在于其他環境的光源會對光敏二極管產生很大的干擾。方案三：使用紅外反射式一體化傳感器進行檢測。通過對比，這次設計中由于是近距離探測，故采用方案三來完成數據采集。由于紅外光波長比可見光長，因此受可見光的影響較小。同時紅外線系統還具有以下優點：尺寸小、質量輕，便于安裝。反射式光電檢測器就是其中的一種器件，它具有體積小、靈敏度高、線性好等特點，外圍電路簡單，安裝起來方便，電源要求不高。用它作為近距離傳感器

17、是最理想的，電路設計簡單、性能穩定可靠。 第4章 系統硬件設計4.1 系統電路連接及硬件資源分配本系統電路連接及硬件資源分配見圖4.1所示。采用AT89S51單片機作為核心器件，多圈電位器為懸掛物體位置采集器件，通過ADC0832轉換位數字信號送入單片機處理，L298作為直流電機的驅動模塊，以MAX7219驅動的LED顯示和4×4鍵盤作為人機接口。4.2 尋軌跡控制策略根據題目的要求，懸掛物沿曲線運動的軌跡分為兩段，連續段和間斷段。可采用4個光電一體化傳感器TCRT5000作為檢測元件，其放置方式如圖4.2所示。尋找黑線策略，采用模糊尋找的方式，首先物體從坐標（0，8）運行到坐標（8

18、0，8），檢測這之間有無黑線，如無，則從坐標（80，16）運行到坐標（0，16），再檢測這之間有無黑線，如有，則從坐標（0，12）運行到（80，12），檢測，如果沒有檢測到黑線，再進一步縮小范圍從（80，14）運行到（80，14）；如果檢測到黑線，再進一步縮小范圍從（80，10）運行到（80，10），當檢測到黑線時就停下，此處將是黑線起點；如果沒有檢測到黑線則返回從（80，12）運行到（0，12）檢測到的黑線即為黑線起點。以同樣的運行檢測方式即可尋找出黑線的起點。在連續段尋跡時，通過判斷四個傳感器的16種組合狀態，使電機作出相應的伸縮動作。當軌跡為間斷線時，電機拉動傳感器在大角度方向內位移，直

19、到在某一方向檢測到新的黑線為止。然后再調用連續段的尋跡程序。4.3 系統各模塊單元電路設計 電源部分電路設計本系統中使用了直流12V電機，其額定工作電壓為12V，而單片機額定工作電壓為5V，所以電路中采用了7805和7812作為穩壓模塊，其最大輸出電流為1.5A，滿足系統電機驅動電流的要求，其電路如圖所示。 電機控制模塊設計物體運動的軌跡由電機的轉速和轉向決定，電機的轉速和轉向的控制是通過多圈電位器對滑輪所轉的圈速進行檢測，同時通過另一個計數器對時間進行測量，結合兩個計數器的值，由單片機計算出電機的速度，而物體運動的軌跡的里程由滑輪的周長和所轉的圈數來計算。本系統由單片機直接產生PWM信號，當

20、單片機接受到相應的檢測信號時，單片機轉到中斷口處理信息，PWM信號處于停發狀態。將單片機產生的PWM信號經光電隔離器耦合后，控制L298驅動芯片來控制電動機的正反轉、啟動、制動。原理圖如所示。單片機將P1.2、P1.5作為輸出控制使能端,P1.2、P1.6作為電機一的控制端,P1.3、P1.5作為電機二的控制端。L298的兩個控制端（C、D）的工作情況由表列出（Ven為使能端）。表 L298控制表輸入功能Ven=HC=H;D=L正轉C=L;D=H反轉C=D制動Ven=LC=×D=×停止 電機速度采集設計上面在方案論證中已經提出電機速度的數據采集是通過檢測滑輪上的轉速來得到電

21、機的速度。如圖所示，速度采集系統中使用多圈電位器即圖中W1、W2進行檢測，然后通過ADC0832進行轉換。ADC0832是一個8位雙通道A/D轉換器件。選用的多圈電位器為10圈、47K，動滑輪直徑為5cm，則旋轉一圈的線長為：L=5由ADC0832的分辨率得出，采集到最小線位移為：l=L/28當電機開始運行時，拖動滑輪轉動，多圈電位器和滑輪同步轉動，從而改變多圈電位器的輸出電壓，A/D轉換器將多圈電位器的輸出電壓轉換成數字信號送給單片機處理，從而實現對滑輪運轉情況精確采集。 尋跡部分電路設計 根據設計任務，懸掛物體要沿著黑線運行，采用反射式光電傳感器進行探測。光電傳感器的硬件設計如圖所示。電壓

22、比較器LM393的同相輸入in拉低，輸出為低電平。當檢測到黑線時，接收管截止，同相輸入in為高，比較器輸出為高電平。本系統中四個傳感器的OUT分別連接P1.0P1.3。 顯示模塊設計 顯示部分電路由MAX7219、數碼管組成。采用6個LED管進行X軸坐標顯示、Y軸坐標顯示。其電路圖如所示。 鍵盤模塊電路設計圖4.3.6 4×4鍵盤電路原理圖根據設計需求，本系統中使用了標準的4×4鍵盤，其電路原理圖如圖所示。圖中C1C4為4×4鍵盤的列信號，L1L4為4×4鍵盤的行信號。在本系統中，用P0.0P0.3連接鍵盤的列信號C4C1；用P0.4P0.7連接鍵盤的行

23、信號L4L1。在本系統中，S1S3、S5S7、S9S11、S13為數字鍵，如圖2.8，S4、S8、S12、S14S16為功能鍵，S2、S5、S7、S10為雙功能鍵。主要功能如圖所示。  123方式4 56 X789Y0設置啟動確認圖  4×4鍵盤功能圖 設置鍵：手動對位或任意設定坐標點參數鍵，按下后用上、下、左、右鍵可進行手動對位控制，然后按確認鍵確認，圖所示。 圖  設置鍵操作圖方式鍵：首先按下方式鍵，然后按數字鍵選擇方式再確認，方式有以下幾種：方式1：歸位，讓物體自行回到原點。方式2：作自行設定的運動。方式3：畫圓，首先

24、利用數字鍵設置圓半徑進行確認后，再按啟動鍵運行。方式4：定點運動，首先利用數字鍵設置一個坐標點的X、Y值進行確認后，再按啟動鍵運行。方式5：尋跡，首先讓物體運行在軌跡起點，按下啟動鍵開始尋跡。圖所示，表示了幾種方式的操作。 圖 方式鍵操作圖啟動鍵：用于所選運行方式的開始運行控制鍵。確認鍵：用于設置、X 、Y、方式輸入值的確定。第5章 軟件部分設計5.1 理論分析與計算 位移/數據轉換方法首先記錄初始A/D轉換出來的數據，再使電機1工作，電機2停止，使電機拖動一載體移位100cm，再記錄下此期間所變化的A/D轉換出的數據，由此則直流電機拉動載體位移1mm所需的數據,因此，直接可將拉線的

25、位移轉化為單片機檢測A/D轉換出來的數值。A/D轉換的數值決定位移。 點到點運動核心算法結合圖5.1說明，假設E（x0,y0）,F(x1,y1)為給定平面范圍上的任意兩點，作輔助線（圖中虛線部分），在直角三角形ABE中a02=(x0+15)2+(115-y0)2  （5.1）在直角三角形CDE中:b02=(95-x0)2+(115-y0)2   （5.2）同理對于F點，兩拉線長分別為：a12=(x1+15)2+(115-y1)2   （5.3）b12=(95-x1)2+(115-y1)2   （5.4）因此當懸掛物從E點運動

26、到F點時：電機1的收放線長度為c（當c<0，電機正轉（或拉線伸長）；c>0時，電機反轉（或拉線收縮）c=a0-a1    （5.5）電機2的收放線長度為d（當d<0，電機反轉（或拉線收縮），當d>0時，電機正轉（或拉線伸長）d=d0-d1    （5.6）根據c，d的正負分別確定電機1，電機2的正反轉向。設繩索位移1mmAD變化值為P，而根據c，d 的絕對值來確定電位器1，電位器2所要變化的值：電位器1所分配的數值：m=|c|*p    （5.7）電位器2所分配的數值：n=|d|*

27、p    （5.8） 誤差補償   為了使運動軌跡更加平滑，采用脈沖寬度調制技術控制直流電機驅動芯片L298，以實現對電機的轉速工作狀態進行快速而準確的控制，設電機1所運行的線值為n,電機2所運行的線值為m，則輸出到電機1和電機2的定時器初值比例為n/m，這樣可使電機1和電機2同步到達目標點。在點到點運行中，假設電機2的定時器初值為t，則電機1的定時器初始為n/m*t，該算法可能會造成電機所運行的路徑為一條曲線，可以讓單片機不斷計算當前點到目標點的距離，不斷改變定時器初值，也可以將直線分成幾個線段來運行，使得所運行軌跡精度更高，直線更

28、平滑。 數學模型 本設計要求懸掛物能夠畫一個圓，采用微分曲線直線逼近法。首先將圓周等分為N份，將每小份弧線段等效為直線段畫出，N越大，曲線就光滑。設所畫圓的圓心坐標為（x0,y0）半徑為固定的25cm，（x,y）為圓周上的任意一點，由此確定圓的方程為：    (x*x0)2+(y-y0)2=252      （5.9）若直接使用該方程來求圓上點的坐標，算法比較復雜，采用了圓的參數方程：X=x0+25sint  （5.10）Y=y0+25cost  （5.11）(x0,y0)為圓心坐標      這樣，則圓的坐標僅與參數t有關，因此，使角度t以某一設定的角度步長v累加，使t+q*v在周期t,t+2內變化，其中q為累加值。這樣就可以采樣到圓上均勻的點，顯然，角度步長v越小，在圓周上取得點越多，控制也會更精確。 5.2 程序流程