文档介绍：悬挂运动控制系统
(E题)
设计报告
参赛学校:扬州大学
学院:信息工程学院
作者:卢丽锋蔡志超周学文
悬挂运动控制系统
摘要
该悬挂运动控制系统以AT89S52单片机为控制核心,控制电机驱动电路和液晶显示电路的协调工作,实现基本绘图和显示功能。
根据选题要求,单片机控制两个步进电机的旋转方式与旋转角度,使电机通过穿过滑轮的吊绳带动绘图笔在绘图板(100cm*80cm)上移动,从而绘制出相应的运动轨迹。绘图笔在绘图板上的位置坐标由吊绳的长度来确定,再由单片机驱动液晶屏将它显示出来。
本设计的主要特点:
●菜单式的功能选择,运行状态一目了然;
●对画笔实时定位并显示,并由液晶屏显示出来。
●优化的软件算法,智能化的自动控制,定位精确;
●合理的挂笔模型设计,减少了画笔的摩擦,降低了电机的功率损耗;
关键词:单片机,步进电机,画笔
一、方案的选择与论证
根据题目要求,系统可划分为几个模块,如图1所示:
图1
对各模块的实现,分别有以下一些不同的设计方案:
1、核心控制模块
方案一:FPGA/CPLD方式。即用FPGA/CPLD完成键盘定义与识别、电机工作状态选择与切换、液晶电路的驱动与控制等功能。这种方案的优点在于系统结构紧凑、操作方便,而且可以使用的I/O口线很多;缺点是调试时需要接很多接线,过程繁琐,而且使用CPLD时,由于其内部没有ROM,对功能的实现有所限制。
方案二:单片机方式。即由单片机、电机驱动电路及电机等组成系统。使用单片机也可以完成键盘定义与识别、电机工作状选择与切换等功能,组成的系统规模较小,有一定灵活性,而且可以使用我们比较熟悉的单片机最小系统电路板,减少了工作量。该控制方式需要单片机具有较大的程序存储量,所以可选择存储量为8K的89S52单片机。
基于以上分析,拟选用方案二。
2、电机的选择
方案一:使用直流电机驱动画笔。直流电机能实现连续运转,只要型号选择合适,其驱动能力足以使画笔在限定的时间内画出足够长的线。但直流电机运行时的惯性比较大,不同的运行方式进行切换时,延时较长,画出的的图形不能满
足题目要求。
方案二:选用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、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;而且步进电机只有周期性的误差而无累积误差,因而用步进电机来控制位置比用直流电机简单。
基于上述理论分析,拟选择方案二,使用两相四线式步进电机,功率为2W。
3、电动机驱动方式
两相步进电机的工作方式一般有二相四拍和二相八拍二种。
方案一:步进电机设置成二相四拍时,其优点是所占用的单片机的口线较少,使用2-4译码器时只需四个端口就可以同时驱动两个步进电机以四拍方式工作,这样单片机就有空余的口线将系统做成闭环形式。该方法的主要缺点是电机换相的时候,可能存在两相同时失电的情况(如图2所示),严重影响电机运行的稳定性。
图 2
方案二:电机设置为二相八拍时,一方面消除了两相同时失电的可能性,同时电机的驱动能力比二相四拍时大了很多,足够使画笔装置正常工作。在使用3-8译码器的同时,该驱动电路至少也要占用单片机的6个口线,限制了单片机,不能做成闭环系统,可靠性有所降低。
结合以上分析,同时考虑到该装置的基本功能就是要驱动画笔工作,所以选择方案二。
二、系统的具体设计与实现
(一)总体设计思想
根据题目的要求,我们经过仔细分析,充分考虑各种因素,制定出了整体的设计方案:以单片机89S52为核心,使用L298专用电机驱动芯片完成三个方面的功能:处理键盘数据;控制液晶显示;控制电机的运行状态。充分运用了89S52的各个接口,减少了模块调用,也使系统更为可靠。系统组成及原理框图如图3所示。
图3
(二)单元模块设计
1、吊绳及画笔装置
按照题目要求,该装置中所吊物体的重量为102克,为了减少吊物与斜板间的摩擦,在吊物与板接触的面上安装三个滚珠。考虑到我们现有步进电机的驱动能力,当物体吊在板的中间位置(即X=40cm)时,电机只能将其吊至Y=75cm左右。由于时间限制,来不及购买大功率步进电机,因此,将画纸与滑轮的距离改为30cm,使得电机能够驱动画笔在规定的运动范围内画轨迹。设左侧的步进电机为1号电机,右边的为2号电机。
2、电机及其驱动电路
使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统,其方框图如图4所示:
图4
(1)脉冲信号的产生。
脉冲信号由单片机产生,,。
(2)信号分配
设定该两相步进电机工作方式为二相八拍,具体分配如下:,。需要单片机给其输入如下图(图