懸掛運動控制系統（E 題）

一、任務

設計一電機控制系統，控制物體在傾斜（仰角 ≤ 100 度）的板上運動。

在一白色底板上固定兩個滑輪，兩隻電機（固定在板上）通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運動，運動範圍為 80cm×100cm 。物體的形狀不限，質量大於 100 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 1cm 的淺色座標線（不同於畫筆顏色），左下角為直角座標原點 , 示意圖如下。

二、要求

1 、 基本要求：

（ 1 ）控制系統能夠通過鍵盤或其他方式任意設定座標點引數；

（ 2 ）控制物體在 80cm ×100cm 的範圍內作自行設定的運動，運動軌跡長度不小於 100cm

（ 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 ）物體從左下角座標原點出發，在 150 秒內到達設定的一個座標點 ( 兩點間直線距離不小於 40cm ) 。

2 、發揮部分

（ 1 ）能夠顯示物體中畫筆所在位置的座標；

（ 2 ）控制物體沿板上標出的任意曲線運動 ( 見示意圖 ) ，曲線在測試時現場標出，線寬 1.5cm ～ 1.8cm ，總長度約 50cm ，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續的，長約 30cm ；後一部分是兩段總長約 20cm 的間斷線段，間斷距離不大於 1cm ；沿連續曲線運動限定在

（ 3 ）其他。

三、評分標準

專案

滿分

基本要求

設計與總結報告：方案比較、設計與論證，理論分析與計算，電路圖及有關設計檔案，測試方法與儀器，測試資料及測試結果分析。

50

實際製作完成情況

50

發揮部分

完成第 (1) 項

10

完成第 (2) 項中連續線段運動

14

完成第 (2) 項中斷續線段運動

16

其他

10

四、說明

1 、物體的運動軌跡以畫筆畫出的痕跡為準，應儘量使物體運動軌跡與預期軌跡吻合，同時儘量縮短運動時間；

2 、若在某項測試中運動超過限定的時間，該專案不得分；

3 、運動軌跡與預期軌跡之間的偏差超過 4cm 時，該專案不得分；

4 、在基本要求 (3) 、 (4) 和發揮部分 (2) 中，物體開始運動前，允許手動將物體定位；開始運動後，不能再人為干預物體運動；

5 、競賽結束時，控制系統封存上交賽區組委會，測試用板 ( 板上含空白座標紙 ) 測試時自帶。

懸掛運動控制系統（E 題）---學生作品

畢業設計（論文）                   原創       

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 的範圍內作直線、圓、尋跡等運動，並且在運動時能顯示運動物體的座標。設計採用AT89S51 微控制器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，並引入區域性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座標點的準確定位。採用脈衝寬度調製技術控制直流電機驅動晶片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。採用紅外光電感測器實現檢測電機速度和畫板上黑色曲線軌跡。

關鍵詞： 運動軌跡； 多圈電位器；脈衝寬度調製；紅外反射光電感測；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 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 and 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 black 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於三線懸掛結構的運動控制裝置。所謂三線 懸掛是指，將三根纜線繫於一點並懸掛重物，且三根纜線分別掛在三個固定滑輪上，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，本系統採用AT89S51 微控制器作為核心器件，多圈電位器為物體位置資料採集器件，以L298 驅動的直流電機為執行裝置，鍵盤和LED 顯示為人機介面的結構方式。演算法方面通過以微小直線為單位的策略，完成較為複雜的長直線、圓周和不確定曲線。系統軟體將物體運動的座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衝寬度調製（PWM ）值。再通過A/D 轉換實現對懸掛物位置的精確測量，並引入區域性閉環反饋控制環節對誤差進行修正。對於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。而對於不確定的曲線，由光電感測器得到路線資訊，經過微控制器的處理，給出物體運動方向的指令。

本設計的主要特點：

1 、優化的軟體演算法，智慧化的自動控制，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 顯示模組提供一個人機對話介面，並實時顯示座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座標點引數；

2 、控制物體在80cm×100cm 的範圍內作自行設定的運動，運動軌跡長度不小於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 、物體從左下角座標原點出發，在 150 秒內到達設定的一個座標點 ( 兩點間直線距離不小於 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1.5cm ～1.8cm ，總長度約50cm ，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續的，長約30cm ；後一部分是兩段總長約20cm 的間斷線段，間斷距離不大於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 、能夠顯示物體中畫筆所在位置的座標，運動軌跡與預期軌跡之間的偏差不得超過4cm 。

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，並能實時的顯示物體中畫筆所在位置座標。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 轉換後送入微控制器；反射式光電感測器對黑線進行檢測，以脈衝訊號的形式送入微控制器，同時按鍵訊號送入單

片機對物體進行設定校正以及軌跡引數設定，控制器對送來的訊號進行分析、運算、處理，將控制訊號輸送到電機驅動模組，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執行。

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（座標點）進行實時的檢測。

3 、為保證該運動物體能在儘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 控制器模組

根據題目要求，控制器主要用於控制電機，並對座標引數進行處理，控制電機移動方向。對於控制器的選擇有以下兩種方案。

方案一：採用FPGA 為系統的控制器，FPGA 可以實現各種複雜的邏輯功能，模組大，密度高，它將所有器件整合在一塊晶片上，減少了體積，提高了穩定性，並且可應用EDA 軟體模擬、除錯，易於進行功能控制。FPGA 採用並行的輸入輸出方式，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。通過輸入模組將引數輸入給FPGA ，FPGA 通過程式設計控制步進電機運動，但是由於本設計對資料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，並且由於其整合度高，使其成本偏高，同時由於晶片的引腳較多，實物硬體電路板佈線複雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。

方案二：採用AT89S51 作為系統控制的方案。微控制器算術運算功能強，軟體程式設計靈活、自由度大，可用軟體程式設計實現各種演算法和邏輯控制。由於其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優點，各個領域應用廣泛。並且，由於晶片引腳少，在硬體很容易實現。因此，在本設計中採用AT89S51 處理輸入的資料並控制電機運動。

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：採用直流電機。直流電機具有最優越的調速效能，主要表現在調速方便（可無級調速）、調速範圍寬、低速效能好（起動轉矩大、起動電流小）、執行平穩、噪音低、效率高等方面。

方案二：採用步進電機。步進電機具有控制簡單、定位精確、無積累誤差等優點。但它在執行時噪音大、高速扭矩小、啟動頻率低、價格較高。

基於上述比較，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，這裡我們採用直流變速電機。

3.3 驅動及調速方案

方案一：採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：採用內整合有達林頓管組成的H 型的功率變換橋電路的恆壓恆流橋式2A 驅動晶片。用微控制器輸出PWM 訊號控制使之工作在佔空比可調的開關狀態，通過程式調節佔空比精確調整電機轉速。這種電路由於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，是一種廣泛採用的PWM 調速技術。

方案三：採用DSP 晶片，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執行速度，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。但系統軟硬體複雜、成本高。

基於上述理論分析和實際情況，擬定選擇方案二。

3.4 速度採集方案

方案一：採用霍爾整合片。該器件內部由三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正對金屬板時，由於霍爾效應，金屬板發生橫向導通，因此可以在電機上安裝磁片，而將霍爾整合片安裝在固定軸上，通過對脈衝的計數進行電機速度的檢測。

方 案二：採用對射式光電感測器。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，感測器輸出產生變化以指示被測物 被檢測到。通過脈衝計數，對速度進行測量。由於電機的收線輪直徑較小，將感測器安在電機上容易產生測量誤差，將感測器安在滑輪上可以減少收線引起的誤差。

方案三：採用多圈電位器式感測器間接測量方式。通過槓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係實現速度的檢測。

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製作帶來難度；鑑於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 尋跡模組

探測板上黑線的大致原理是：光線照射到板面並反射，由於黑線和白紙的反射係數不同，可根據接受到的反射光強弱判斷是否偏離黑線。

方案一：採用熱探測器。由於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係，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：使用發光二極體和光敏三極體組合。這種方案的缺點在於其他環境的光源會對光敏二極體產生很大的干擾。

方案三：使用紅外反射式一體化感測器進行檢測。

通 過對比，這次設計中由於是近距離探測，故採用方案三來完成資料採集。由於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，便於安裝。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 它作為近距離感測器是最理想的，電路設計簡單、效能穩定可靠。

第 4 章 系統硬體設計

4.1 系統電路連線及硬體資源分配

本 系統電路連線及硬體資源分配見 圖4.1 所示。 採用AT89S51 微控制器作為核心器件，多圈電位器為懸掛物體位置採集器件，通過ADC0832 轉換位數字訊號送入微控制器處理，L298 作為直流電機的驅動模組，以MAX7219 驅動的LED 顯示和4 ×4 鍵盤作為人機介面。

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。可採用 4 個光電一體化感測器 TCRT5000 作為檢測元件，其放置方式如圖 4.2 所示。

尋找黑線策略，採用模糊尋找的方式，首先物體從座標（0 ，8 ）執行到座標（80 ，8 ），檢測這之間有無黑線，如無，則從座標（80 ，16 ）執行到座標（0 ，16 ），再檢測這之間有無黑線，如有，則從座標（0 ，12 ）執行到（80 ，12 ），檢測，如果沒有檢測到黑線，再進一步縮小範圍從（80 ，14 ）執行到（80 ，14 ）；如果檢測到黑線，再進一步縮小範圍從（80 ，10 ）執行到（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 ）執行到（0 ，12 ）檢測到的黑線即為黑線起點。以同樣的執行檢測方式即可尋找出黑線的起點。

在連續段尋跡時，通過判斷四個感測器的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，電機拉動感測器在大角度方向內位移，直到在某一方向檢測到新的黑線為止。然後再呼叫連續段的尋跡程式。

4.3 系統各模組單元電路設計

4.3.1 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 ，而微控制器額定工作電壓為 5V ，所以電路中採用了 7805 和 7812 作為穩壓模組，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 4.3.1 所示。

4.3.2 電機控制模組設計

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，由微控制器計算出電機的速度，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。

本系統由微控制器直接產生PWM 訊號，當微控制器接受到相應的檢測訊號時，微控制器轉到中斷口處理資訊，PWM 訊號處於停髮狀態。將微控制器產生的PWM 訊號經光電隔離器耦合後，控制L298 驅動晶片來控制電動機的正反轉、啟動、制動。原理圖如4.3.2 所示。

微控制器將P_1.2 、P_1.5 作為輸出控制使能端,,P_1.2 、P_1.6 作為電機一的控制端,P_1.3 、P_1.5 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4.3.1 列出（V_en 為使能端）。

表4.3.1 L298 控制表

4.3.3 電機速度採集設計

上面在方案論證中已經提出電機速度的資料採集是通過檢測滑輪上的轉速來得到電機的速度。如圖4.3.3 所示，速度採集系統中使用多圈電位器即圖中W ₁ 、 W ₂ 進行檢測，然後通過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 Ω，動滑輪直徑為5cm ，則旋轉一圈的線長為：

L=5 π

由ADC0832 的解析度得出，採集到最小線位移為：

l=L/2 ⁸

當電機開始執行時，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訊號送給微控制器處理，從而實現對滑輪運轉情況精確採集。

4.3.4 尋跡部分電路設計

根據設計任務，懸掛物體要沿著黑線執行，採用反射式光電感測器進行探測。光電感測器的硬體設計如圖 4.3.4 所示。電壓比較器 LM393 的同相輸入Ⅴ 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Ⅴ in 為高，比較器輸出為高電平。本系統中四個感測器的 OUT 分別連線 P1.0 ～ P1.3 。

4.3.5 顯示模組設計

顯示部分 電路由MAX7219 、數碼管組成。 採用6 個LED 管進行X 軸座標顯示、Y 軸座標顯示。其電路圖如4.3.5 所示。

4.3.6 鍵盤模組電路設計

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4.3.6 所示。圖中C1 ～C4 為4×4 鍵盤的列訊號，L1 ～L4 為4×4 鍵盤的行訊號。在本系統中，用P0.0 ～P0.3 連線鍵盤的列訊號C4 ～C1 ；用P0.4 ～P0.7 連線鍵盤的行訊號L4 ～L1 。

在本系統中，S1 ～S3 、S5 ～S7 、S9 ～S11 、S13 為數字鍵，如圖2.8 ，S4 、S8 、S12 、S14 ～S16 為功能鍵，S2 、S5 、S7 、S10 為雙功能鍵。主要功能如圖4.3.7 所示。