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0、引言

题目要求是在一个有倾角的板上运动，需要控制与物体相连的绳子的长度，它是一种极坐标下的双轴联动，这与传统直角坐标系的运动方式有较大的不同，增加了控制难度。本设计采用高效的PWM电路，提高电源的利用率。控制电路电源和电动机电源隔离，光电耦合器传输，抗干扰性能强。红外黑线检测，超强纠错。

1、 悬挂运动控制系统的体系结构

本运动控制系统的硬件包括电机、控制器、传感器和电源。

步进电机是数字执行机构，按顺序给绕组施加有序的脉冲电流,就可以控制电机的转动,从而实现数字→角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比,转动的速度与脉冲频率成正比。由步进电机构成的开环数控系统，简单，廉价，实用因此本次设计采用步进电机控制，便于实现精确双轴联动。

控制器采用LPC932单片机，LPC932 是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。LPC932 采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2 到4 个时钟周期。6 倍于标准80C51 器件。LPC932 集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及系统的成本。

题目要求寻迹控制，因此需要设计黑线探测模块。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是否到达黑线。

由于电机电压较高，单片机系统工作电压低，采用双电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。系统总体框图如图1

                                         图1

2.悬挂运动控制系统的硬件设计与实现

（1）步进电机驱动模块的电路设计与实现 

一般单片机分配的脉冲输出驱动能力是有限的，它不可能去直接驱动步进电机，而需要经过一级功率放大后，再去驱动步进电机。本系统步进电机工作电压9V，工作电流100mA,选择MC1413达林顿阵列驱动步进电机。其工作电压大于50V，工作电流>200mA.

（2）黑线检测模块的电路设计与实现 

为了检测黑色标志线，在物体上安装四个成X字型的反射式红外传感器。我们使用单片机中断同步检测的方法。

传感器约2公分一个。题目要求线宽为1.5cm~1.8cm。当沿轨迹步进时，由各个传感器检测到的信号，就能确定应该按照哪个方向运动。控制物体运动到标志线位置，记录下当前坐标。步进一步记录一个坐标。根据智能机器人的设计思想，设计了智能自学习功能，即当运行完规定的轨迹之后，可以不用传感器，直接根据上次记录的坐标控制物体沿刚才的轨迹运行。这是本系统设计的一个创新点。

（3）按键与显示模块的实现

该模块由单片机控制，可以输入各种参数，显示运动位置的坐标，运行要求轨迹所需的时间，运动状态等。该模块电路为串行输出，动态扫描方式，利用单片机的SPI串口功能，只占用较少的CPU时间，高效低成本的实现了人机对话功能。电路简洁，通用，可扩充性好。数码管的段码端用串并行输出芯片74HC595驱动，位码端采用大电流驱动器MC1413驱动.键盘可以任意设置目标点的坐标和希望的运行速度。

3. 悬挂运动控制系统的软件及算法设计

单片机控制电路由一片LPC932单片机组成。由于本系统有较多的复杂运算等，所以使用C语言进行软件编写，这样可以大大提高程序编写时的效率。软件主要实现电机转速控制、圆轨迹控制、黑线红外检测、数据显示等功能。

⑴步进电机控制

步进电机是一步一步转动的，通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流,就可以控制电机的转动,从而实现数字→角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比,转动的速度与脉冲频率成正比,而转动方向则与脉冲的顺序有关。

四相步进电机单相四拍方式(按单相绕组施加电流脉冲)→Ａ→Ｂ→Ｃ→D正转;D→C→B→A→反转。,

脉冲分配的作用就是在步进脉冲的激励下产生四相步进脉冲。构成脉冲分配的方法很多，可以用硬件电路来实现，也可以软件来产生，但是软件可以方便灵活的实现脉冲分配，所以采用软件方法。

步进电机的速度与每步所用的时间有关。每步时间越长，则速度越慢。因此，只要控制每步的延时时间，便可以控制步进的速度。

在多数情况下，都希望步进电机能以较快速度完成任务，这就要求步进电机的速度要尽量快些。但速度太快，就有可能失步，因为步进电机的响应频率比较低（１００－２５０步／秒）。因此，引进了变速控制的思想，起动时，以低于响应频率的速度运行，然后慢慢加速，加到一定速度后，就以此速度恒速运行。当要到达终点时，慢慢减速使之在低于响应频率的速度运行，直到停机并走完规定步数。步进电机的变速控制在定时器的中断服务程序中通过改变脉冲频率来实现。

（2）物体的直线运动控制

                                    图2

    1.坐标原点到任意点的直线运动

本系统能人机对话，可通过键盘任意设定坐标点，而且速度也是任意可调的。将坐标圆点进行坐标变换到左上脚，如图2所示。则相对于原来坐标系的任意一点（x,y）经过坐标变换后变为：

那么从原点到任意点A的直线运动，可以通过控制步进电机而使r1,r2满足要求。

控制方法如下：

当r1_A>r2_A,这表明r1端的电机的转速比r2端的转速快。这样才能保证两个电机的运转使r1,r2轴同时达到终点A。

设r1端的步进电机以额定转速v1转动，那么 r2端的电机的转速控制在

反之，如果r1A<r2A,则r2端的电机的转速v2控制在额定转速，而r1的转速控制在：

2.任意点A到任意点B的运动控制

由上述分析，可以得出B点对应的r1,r2长度。

B点：      
                                                                              （5）

                      

                          （6）

那么A点到B点的直线运动可按如下实现：

A点运动到B点时r1的变化值为Δr1，r2的变化值为Δr2。

                                                           (7)

                                                                  (8)

当Δr1>0，表明要收r1，当Δr1<0，表明要放r1。同理r2也是同样的控制。

当Δr1>Δr2时,表明r1的移动路程大于r2的移动路程。

设r1端的步进电机以额定转速v1转动，那么 r2端的电机的转速控制在

3.任意圆心的圆的运动控制

采用直线近似法完成圆轨迹运动。

将圆心坐标为整个运动范围的中央（400，500），半径为250的圆取32个点，也可以取更多点，得到一组离散数据预先存入单片机E²PROM中，通过坐标变换将给定圆圆心转换到任意设定的圆心，坐标变换后按式（3），（4）,(5),(6)进行从A点运行到B点的对应r1,r2长度的计算。

然后按照上面任意点A到任意点B的运动控制方法，实现圆周上A点到B点的运动控制。当走完预存于的32个点，就实现了走圆的控制。其流程图如图3所示。

 图3

⑶ 黑线检测程序

采用脉冲调制的发射与接收电路。我们使用单片机同步检测的方法。接收器产生的信号经过信号识别整形电路向LPC932指示传感器的探测信号。本例程采用LPC932的外部中断功能检测。

在物体周围成十字型安装四个传感器。传感器约2公分一个。题目要求线宽为1.5cm~1.8cm。当沿轨迹步进时，由各个传感器检测到的信号，就能确定应该按照哪个方向运动。控制物体运动到标志线位置，记录下当前坐标。步进一步记录一个坐标。当运行完轨迹之后，可以不用传感器，直接根据上次记录的坐标控制物体沿刚才的轨迹运行。

⑷ 按键显示

数码管全部使用软件进行动态显示。为了使人眼感觉不到抖动，扫描频率应不低于60HZ ，根据这个值来确定定时器的中断时间，即扫描时间。采用串行多数码管扫描式显示方法。可以同作键盘任意设置到达点的坐标，运行轨迹的模式选择。

4.结束语

本设计在硬件上，使用了传感器的调制技术使抗干扰性能改善。在软件上，充分利用了P89LPC932的灵活方便，实现了在线实时显示物体运动的坐标，时间等。也可以任意选择运行的目标点和运行速度，具有良好的人机界面。同时作为本次设计的创新点，设计和实现了机器自学习功能。从最终测试结果看，本系统以简洁可靠的电路与精心设计的控制算法与程序，较好地完成了题目的基本要求和扩展要求。

参考文献：

1．  赵秀菊，单片微机与测控技术. 东南大学出版社，1996

2．  陈维山.赵杰，机电系统计算机控制.哈尔滨工业大学出版社 1999

3．  鲍超，信息检测技术.浙江大学出版社.2002