目錄摘要與關鍵字------------------------------------------------------------------------------------4第一章設計任務及要求----------------------------------------------------------------------51.1設計任務--------------------------------------------------------------------------------51.2技術要求--------------------------------------------------------------------------------6基本要求-----------------------------------------------------------------------------6發揮部分----------------------------------------------------------------------------6其次章模塊方案比較與論證---------------------------------------------------------------72.1電動機驅動調速模塊-------------------------------------------------------------72.2限制器模塊----------------------------------------------------------------------------82.3滑塊位移檢測模塊-------------------------------------------------------------------92.4紙面線段尋跡模塊------------------------------------------------------------------9第三章系統硬件設計與實現---------------------------------------------------------------103.1系統硬件結構總體設計-----------------------------------------------------------103.2系統主要單元模塊的設計與實現------------------------------------------------103.2.1機械部分的設計智能限制部分的設計-----------------------------------------------------11第四章系統軟件設計------------------------------------------------------------------------154.1運動機構數學模型的建立--------------------------------------------------------154.2限制系統程序的設計與實現-----------------------------------------------------16限制程序總體設計--------------------------------------------------------16第五章系統測試------------------------------------------------------------------------------185.1測試儀器------------------------------------------------------------------------------185.2指標測試------------------------------------------------------------------------------18自行設定運動測試----------------------------------------------------------------18圓周運動測試----------------------------------------------------------------------18鍵盤輸入坐標點并運動到該點的測試----------------------------------------18第六章總結-----------------------------------------------------------------19參考文獻----------------------------------------------------------------------------------------20致謝----------------------------------------------------------------------------------------------21附錄----------------------------------------------------------------------------------------------22摘要本系統的限制部分采納兩塊單片機實現（AT89C55和AT89C52），主單片機用于限制信號輸入和電機驅動，從單片機用于信號檢測和運動滑塊坐標的實時顯示。執行機構采納無相四線制步進電機帶動，定位精度高，誤差不隨轉數累加，驅動電路采納雙H橋結構的L298電機驅動芯片，由主單片機輸出環形脈沖序列干脆驅動。本題的難點在于限制算法的實現，我們對限制系統進行了精確的數學建模，得到了步進電機輸出和繪圖滑塊的運動坐標的精確對應關系，并把繪圖區的坐標信息建立成表格存儲在ROM中，通過查表的方式來計算得到限制輸出量。我們的限制系統達到了很好的限制精度，基本上完成了題目的要求。關鍵字：單片機步進電機數學建模查表AbstractThecontrolpartofthissystemisbasedontwomicrocontrollers(AT89C55andAT89S52),oneusedfortheinputsignalofcontrolandthedriveofthestepmotor,theotherusedforslipperypieceofthesignalexaminationanddisplayingthecoordinateofthesolidhouratanytime.Andthedrawingsystemiscarryingoutbytwofourphasestepmotors,whicharedriveddirectlybyintegratedchipL298thathasdoubleHbridgesstructureoftheelectriccircuit,anditscircuitdrivingpulsesaregivendirectlybytheprimarymicrocontroller.Adifficultpointintheproblemishowtocarryoutthecontrolarithmetic,forwhich,wesetuptheprecisemathematicsmoldofthecontrolsystem.Themoldcoulddescribethestrictrelationshipofthestepmotors’outputsandthecoordinatesoftheslipperfordrawingateverypointinthedrawingarea.WestoredallthecoordinatedatainaROM,andwecangetthedatabytablelook-upwaywhenthecoordinateisusedinrunningcourse.Bythisway,ourcontrolsystemformtoaveryhighprecision,andwecompleteaboutallthetaskwell.Keyword:microcontroller,stepmotor,mathematicsmolding,tablelook-up1、設計任務及要求1.1設計任務：設計一電機限制系統，限制物體在傾斜的板上運動。在一白色底板上固定兩個滑輪，兩只電機，通過穿過滑輪的吊繩限制一物體在板上運動，運動范圍為。物體的形態不限，質量大于克。物體上固定有淺色畫筆，以便運動時能在板上畫出運動軌跡。板上標有間距為的淺色坐標線，左下角為直角坐標原點。1.2設計要求：基本要求：限制系統能夠通過鍵盤或其他方式隨意設定坐標點參數；限制物體在的范圍內做自行設定的運動，運動軌跡長度不小于，物體在運動時能夠在板上畫出運動軌跡，限秒內完成；限制物體做圓心可隨意設定、直徑為的圓周運動，限秒內完成；物體從左下角坐標原點動身，在秒內到達設定的一個坐標點（兩點間直線距離不小于）。發揮部分能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標；限制物體沿板上標出的隨意曲線運動，曲線在測試時現場標出，線寬，總長度約，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續的，長約；后一部分是兩端總長約的間斷線段，間斷距離不大于；沿連續曲線運動限定在秒內完成，沿間斷曲線運動限定在秒內完成；其他。2、方案比較與論證依據題目的技術指標和要求，系統可分為機械部分、限制部分和信號檢測部分。詳細可劃分為滑塊位移檢測模塊，紙面線段尋跡模塊，鍵盤，限制模塊，顯示模塊，電機驅動模塊、電機系統、繪圖裝置。如圖（1）所示。對各模塊的實現，分別有以下一些不同的設計方案。紙面線段尋跡模塊繪圖裝置

繪圖裝置滑塊位移檢測模塊限制器模塊鍵盤電機系統電機系統顯示模塊電機驅動模塊圖（1）系統組成2.1電動機驅動調速模塊依據題目的要求，電機限制部分要求的限制精度高，定位要精確。經過分析，有以下三個方案可以選擇方案一：采納兩個直流減速電機共同帶動滑塊達到限制的目的。由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機限制達林頓管，使之工作在占空比可調的開關狀態，可以簡潔的實現轉速和方向的限制，穩定性極強，是廣泛采納的調速的方法，但是不能精確定位，達到題目要求特別困難。方案二：運用繼電器對步進電機限制。通過開關的切換，實現對電機的各相繞組分時通入脈沖達到換向和調速的功能，優點是電路特別簡潔，缺點是繼電器的相應時間慢，機械結構易損壞，壽命較短，牢靠性不高。方案三：運用驅動芯片對步進電機限制。驅動芯片電路簡潔，牢靠性高，單片機可以干脆驅動。電機的調速和位移量限制，可以通過軟件實現，變更范圍大，簡潔實現，反應速度快。由于大賽的時間短，工作量大，同時對牢靠性要求也比較高，基于以上的考慮，我們選了方案三，利用集成芯片L298來驅動步進電機。2.2限制器模塊依據題目的要求限制器主要用于電機的限制，傳感器信號的接收與分辨數碼管顯示的管理和鍵盤的掃描，對于限制器的選擇有以下兩種方案：方案1：采納FPGA作為系統的限制器。FPGA可以實現各種困難的邏輯功能，規模大，密度高，易于進行功能擴展。適合作為大規模實時系統的限制核心，但由于題目對數據處理的速度要求不高，FPGA的高速處理實力得不到充分的體現，其成本偏高，同時芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線困難，加重了電路設計和實際焊接的工作。方案2：采納ALTMEL公司的AT89C55和AT89S52作為系統限制器的雙CPU方案，分別負責步進電機的限制和傳感元件的數據采集與處理。單片機具有敏捷性大，技術成熟和成本低等優點、特別適合本限制系統的要求。基于以上分析，我們確定采納方案二。單片機最小系統電路圖圖（2）2.3滑塊位移檢測模塊方案一：將鼠標作為滑塊，依據鼠標原理進行定位。機械式鼠標由鼠標底部的橡膠滾球帶動兩根成90度排列的定位軸，定位軸的兩端連接著圓形的光學編碼器，橡膠滾球會帶動光學編碼器上的圓盤轉動，光電管就會收到斷續的信號。這樣限制系統可以實時收到鼠標的位移量，從而達到定位。但在本題小于100度的傾角的斜面上，由于重力緣由橡膠滾球有時不能與定位軸接觸，使得運動是不能帶動定位軸轉動定位產生較大誤差。光電鼠標中發光二極管照亮采樣表面，對比度劇烈的待采樣影像通過透鏡在CMOS上成像，CMOS將光學影像轉化為矩陣電信號傳輸給DSP，DSP則將此影像信號與存儲的上一采樣周期的影像進行比較分析，然后發送一個位移距離信號到接口電路。這樣就可以實時跟蹤，且定位精確精密，但對于光電鼠標的輸出信號駕馭不算成熟，而且不便于單片機利用和限制，在運用上有肯定的障礙。方案二：由于滑塊位置由連接滑輪的兩根線的長度唯一確定，所以可測量電機轉數來計算繩子的位移量，這種方法簡便易行，測試簡潔，通過建立數學模型即可實現，且有較精確的限制精度。基于上述理論分析，擬選擇方案二。在測量電機轉數時又有幾種方案可供選擇（1）采納霍爾集成片。（2）采納斷續式光電開關。（3）采納鼠標內部的機械滾輪部分。這三種方案都比較可行，尤其是霍爾元件，在工業上得到廣泛采納。但此題中沒有較大的輪軸，磁片密集安裝特別困難，簡潔產生相互干擾。斷續式光電開關精度較高，但透射光柵制作較為困難，且市場上沒有成品可以買到。機械滾輪結構兼有其上兩種方案的優點，且安裝簡便，電路最為簡潔，因此擬采納第三種。2.4紙面線段尋跡模塊探測黑線的大致原理是：光線照耀到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數不同，可依據接收到的反射光強弱推斷滑塊是否處在黑線上。方案一：可見光發光二極管與光敏二極管組成的放射-接收電路。這種方案的缺點在與其他環境光源會對光敏二極管的工作產生很大干擾，一旦外界光亮條件變更，很可能造成誤判和漏判；雖然實行超高亮發光管可以降低肯定的干擾，但這又將增加額外的功率消耗。方案二：不調制的反射是紅外反射-接收器。由于采納紅外管代替一般可見光管，可以降低環境光源干擾，但假如干脆用直流電壓對管子進行供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在10mA左右，仍舊簡潔受到干擾。方案三：脈沖調制的反射是紅外反射-接收器。考慮到環境光干擾主要是直流重量，假如采納帶有溝通重量的調制信號，則可大幅度削減外界干擾。基于上述理論分析，擬采納方案三。3.系統硬件設計與實現3.1系統硬件結構總體設計本題是一個機、電、智一體化的綜合設計，在設計中運用了自動限制技術和電子技術，系統可分為機械制作和智能限制部分。機械加工部分：為了達到所要求的限制精度，它是整個作品的基礎，是制作勝利的保證。它包括：材料的選取、器件的選擇、繪圖板的制作、圖紙的繪制、機械和傳感器部分的安裝，五部分組成。電氣和智能限制部分：單片機將限制信號傳輸到電動機，電動機完成對限制信號的響應。它包括：單片機最小系統板、數碼管顯示和鍵盤限制電路、電機驅動電路。完成整個系統的顯示限制功能。3.2系統主要單元模塊的設計與實現3.固定的木板選用長120厘米寬122.5厘米的木板，在作圖紙上打印間距為1厘米的淺色坐標線，用圖釘固定在木板上。依據要求固定滑輪和電機，為了便利連接，電機放在木板上方。滑輪是特地為這個作品設計加工的，能夠防止導線在運動過程中滑出，同時質量很小能夠減小轉動慣量，同時也增大了電機的驅動實力。導線選取的是彈性形變特別小、質量輕、高強度的有機細線。這樣使電機的轉軸半徑變更量降到最小，是由于繞線重疊造成的力矩和轉動慣量的變更降到最低，有利于削減系統的干擾因素，提高系統的精度和牢靠性。由于本設計方案通過限制步進電機轉數來變更繩長從而限制滑塊運動，所以機械部件自身和安裝尺寸上都要求精密。在機械部分設計時我們主要考慮以下幾點。依據要求固定滑輪和電機，為了便利連接，電機放在木板上方。滑輪是特地為這個作品設計加工的，能夠防止導線在運動過程中滑出，同時質量很小能夠減小轉動慣量，同時也增大了電機的驅動實力。3、步進電機每步的角度確定，精度取決于電機上的繞線輪的半徑，所以此輪的半徑應盡量小，這里我們加工的繞線輪半徑為10mm。4、繩子繞在輪上時不肯定很勻稱，若疊在一起會使繞線的半徑有變更；當滑塊處于不同坐標點時繩上拉力不同，假如繩子有彈性，此時繩長就會有所變更。基于上述考慮，我們選取了比較常見的縫鞋用的有機細線，這種線直徑微小不到1mm，基本沒有彈性，且質量輕強度高，是很合適的選擇。5、在安裝時應盡量使兩滑輪的中心、滑塊重心、線繩與輪軸相切點在同一平面內，而且滑輪要能自由滾動盡量減小摩擦。這樣設計使電機的轉軸半徑變更量降到最小，是由于繞線重疊造成的力矩和轉動慣量的變更降到最低，有利于削減系統的干擾因素，提高系統的精度和牢靠性。3.2.2（1）單片機最小系統的設計核心單片機選用AT89C55WD，它是一款低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含20kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），兼容標準MCS-51指令系統，引腳兼容89C51和89C52芯片，采納通用編程方式，片內置通用8位中心處理器和Flash存儲單元。由于本系統的主要限制數據是通過查表的方式獲得的，且數據量比較大，為此我們在最小系統板上外擴了一塊16k的EPROM27C128。該單片機主要負責限制信號的輸入、繪圖限制算法的實現和兩個步進電機的驅動，同時預留出串行通訊口已接受來自從單片機的處理后的檢測信息。從單片機的工作量比較小，我們采納了比較通用的可再現編程的AT89S52單片機。它主要負責檢測和處理來自機械測速器和光電傳感器的信號并加以處理，同時，它還預留了實時顯示滑塊坐標的功能。它最終把處理后得到的位置信息通過串口傳送給主單片機，進行位置校準。（2）數碼管顯示和鍵盤限制電路鍵盤顯示電路的核心芯片采納INTEL公司生產的通用可編程鍵盤和顯示器電路的接口電路芯片8279。8279可以實現對鍵盤和顯示器的自動掃描，識別閉合鍵盤產生的抖動，實現顯示器動態顯示，可以節約CPU處理鍵盤和顯示器的時間，提高CPU的工作效率。另外，8279單片機的接口簡潔，工作牢靠。可以簡化鍵盤顯示電路，驅動兩組四位的共陰數碼管和十六個鍵的鍵盤，為了應用便利我們將鍵盤和8279放在了一起數碼管及其驅動電路放在了一起如圖(3)所示，74LS138也放在了顯示電路中如圖(4)所示。8279的使能端和數據端口與單片機相連，單片機對顯示的數據進行限制同時8279頁在對鍵盤進行掃描，等待觸發。8279和鍵盤電路圖圖（3）數碼管顯示電路圖圖（4）（3）電機驅動電路題目中滑塊質量為大于100克的物體，用雙電機驅動，電機的驅動力矩不須要太大但假如沒有肯定的余量步進電機簡潔出現丟步現象，所以我們選用KVSAN公司的42BYG016型步進電機，步距角為1.8度/步，最大靜力矩900克每厘米，定位力矩小于等于150克每厘米。驅動芯片選用L298。L298是一款雙H橋驅動器可以供應高電壓、大電流的驅動芯片。L298可以避開用分立元件帶來的設計問題，電路異樣簡潔，其最大驅動實力為36V、2A。它可以由單片機干脆驅動，輸出脈沖波型對電機進行限制，由圖可以看到，有四個輸入接口和四個輸出接口，他們分別與單片機的I/O口一一對應我們可以看到芯片共有兩個輸入電壓，5伏為芯片工作電壓，12伏為輸出電壓。由單片機輸出的五伏弱電流信號經過芯片內部電路的變更輸出為12伏的恒流信號，四個輸入口A、B、C、D依次通過脈沖，例如依次是A、B、C、D電機順時針轉動，通電依次是D、C、B、A，那麼電機逆時針轉動，在電機的每一個輸出口兩端分別加一個二極管，這樣是為了防止電機在斷電的瞬間產生的感應電動勢將器件燒毀。如圖(5)所示。42BYG016型步進電機是五線四相制電機，有五條引線與驅動芯片相連，這五根引線中有一條是公共地線，通過查找相關資料和反復試驗的基礎上，我們確認橙色線是地線，而且通電依次是：紅線、黃線、棕線、綠線，或通電依次相反則反向旋轉。圖(5)電機驅動電路圖（5）繩子位移量的測量采納鼠標內部的機械滾輪，它事實上是一個結構簡潔奇妙的機械構件，內部為一個小圓盤，圓盤上是一些金屬片，滾輪帶動一個金屬觸點轉動，可使兩個引腳導通或斷開，當滾輪連續轉動時，則可依據測量導通的次數來計算軸轉過的角度，繼而精確的計算線繩位移。由于滑輪上的線繩只有一圈，在滑輪上測量比較精確。但滑輪為一從動部件，繩子給其的摩擦力不足以帶動滾輪，所以將機械滾輪安裝在電機轉軸上。因為選用線繩的直徑微小，所以不會產生太大誤差精度還是比較高的。此部分電路特別簡潔，只需加一個5v電壓和大電阻即可。（6）紙面線段尋跡的設計方案設計：題目要求滑塊沿板上標出的隨意曲線運動，因為曲線顏色為黑色且有肯定寬度，所以我們可以利用紅外反射式檢測器對黑色或白色有敏感反應的特性，對坐標紙上的黑色線進行檢測。與平常常見的小車尋跡不同，滑塊自身沒有動力，每走完一小步后都相當于停止，所以它運動的方向很難確定，若在各方向上都進行摸索法搜尋則程序會相當困難，也不易實現。為此我們在滑塊上安裝了5個紅外放射接收對管，使它們圍成一個半徑為1.5cm的圓周。我們運用的紅外放射接受對管長約8mm，所給黑線寬約1.5cm，所以以這樣圓周的方式安裝傳感器定會有某個傳感器檢測到黑線。類似盲人用探路棒探路，在已知也許方向的前提下，探到哪里沒有障礙物就向哪個方向走。因為白紙上的黑線只有一條，所以可以向檢測到黑色的那個傳感器的方向走，這樣傳感器就起到了探路棒的作用。詳細可依據相對坐標平移的方法實現。電路設計：圖中光傳感器的1、2端為光放射，3、4端為光接收，當光電反射器在黑白面上移動時，4端便得到一個變更的脈沖電壓，此電壓經過一個施密特電路整形后得到一TTL電平傳送到單片機。為了適應實際狀況，實行可變參考電壓，變更NE555第5腳電壓，可取得不同的回差電壓，此電壓越大電路抗干擾性越強，但觸發靈敏度越低。綜合考慮，我們取5腳電壓為3.60V。當光電傳感器檢測到黑線時，NE555的3腳輸出低電平；反之，輸出高電平。利用下降沿可觸發89C51的中斷INTO。檢測電原理圖見圖（6）。圖（6）紅外線傳感器電路圖4、系統的軟件設計4.1運動機構數學模型的建立本題的解題思路是通過變更繩長來限制滑塊的運動，所以首先我們要了解滑塊的運動規律，即滑塊坐標與其到兩滑輪間繩長的關系，為此我們對此限制系統建立了一個數學模型。為了提高精度且避開浮點數處理，選取毫米為單位。首先，如圖（），選取點為模型坐標原點，則，。當滑塊運動到點時，設其坐標為,若忽視上端滑輪的半徑，則有，（3—1）且初始時刻滑輪到原點間繩長的距離則滑塊由原點運動到點兩段繩分別變更的長度為，（3—2）若考慮兩滑輪的半徑時，進行平均補償則又因為題中給定左下角為直角坐標原點，所以進行坐標變換轉化為要求的坐標原點，則（3—3）由公式3-3我們就可以求出坐標圖上每一點所對應的兩個步進電機的位移輸出量，考慮到單片機的運算實力有限，我們事先把把坐標圖上每一個格點的坐標值都算出來，存儲到只讀存儲器中，當單片機用到時干脆查表得到，然后再通過相應的運算，就可以實現幾乎全部困難的運動曲線。4.2限制系統程序的設計與實現4.2.1（1）主單片機程序設計功能：獲得鍵盤限制信息，顯示輸入信息，輸出步進電機限制脈沖序列，串口通訊主單片機程序流程圖，起先起先輸入坐標限制運動繪制自選圖形繪制圓形尋跡模式結束結束是否結束運動返回返回依次運動到對應坐標值是依次運動到對應坐標值圖（7）程序總體流程圖是否結束運動返回返回依次運動到對應坐標值是依次運動到對應坐標值起先起先起先起先設置滑塊運動曲線設置滑塊運動曲線等待坐標輸入無等待坐標輸入無計算下一點坐標值記錄坐標值有計算下一點坐標值記錄坐標值有查表得到步進電機的輸出量否起先運動查表得到步進電機的輸出量否起先運動是是依次運動到對應坐標值依次運動到對應坐標值依次運動到對應坐標值依次運動到對應坐標值否否是結束運動返回是結束運動返回返回坐標定位子程序返回繪制設曲線子程序起先起先起先起先設置滑塊運動曲線等待圓心坐標輸入無設置滑塊運動曲線等待圓心坐標輸入無有計算下一點坐標值有計算下一點坐標值查表得到步進電機的輸出量記錄坐標值查表得到步進電機的輸出量記錄坐標值起先運動起先運動運動到對應坐標值運動到對應坐標值返回原坐標點否返回原坐標點否結束運動否結束運動否是返回是是返回是返回返回畫圓子程序尋跡子程序5、系統測試為了確定系統與題目要求的復合程度，我們對各項任務的完成狀況作了實際的測試。5.1測試儀器：卷尺秒表各一個5.2指標測試自行設定運動測試要求：運動軌跡長度不小于100cm，限300秒之內完成。實際測試：以（40，0）為起始點，做由兩個正弦曲線組成的8字形軌跡。測試結果：運動軌跡與理論曲線基本吻合，誤差最大處有2.6cm。軌跡總長約210cm，運動時間123秒。依據測試結果可看出，滑塊可以自行設定軌跡進行運動，且誤差在允許范圍內。圓周運動測試要求：圓心可隨意設定、直徑為50cm，限300秒內完成。測試結果：測試次數圓心坐標最大誤差/cm運動時間/s1（50，25）1.5962(45,30)1.994