基于单片机的悬挂运动控制系统毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于单片机的悬挂运动控制系统毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

一和方案二的精度都会有一定限制 ， 要达到本 系统 设计的要求会给制作带来 很大 难度。 鉴于此种湖北理工学院 毕业设计（论文） 8 情况 ，故 应选择 方案三 多圈电位器更 好，远远满足本设计的精度要求。 寻迹部分方案论证 方案一： 采用红外反射 传感器 探测， 这种方法是 用已调的红外线垂直射到板面，经 红外线 反射后转换为 电平 信号送入单片机处理。 这种寻迹方法虽然简单实用，并且成本低廉，在很多的寻迹场合都有使用，但是由于该系统寻迹距离较近，再加上摆放红外反射传感器时不能严格校准和固定，在进行调试时会对系统造成严重的干扰。 方案二：使用发光二极管和光敏三极管组合 来探测黑线。 这种方案的缺点在于 周围 环境的光源会对光敏二极管产生很大的干扰。 方案三： 采 用红外反射式一体化传感器 进行检测。 该传感器工作稳定，操作简单，便于使用。 此外， 由于红外光波长比可见光长，因此受 周围 可见光的影响较小。 同时红外反射式一体化传感器还具有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。 根据以上分析， 这次设计中由于是近距离探测，故采用方案三来 完成黑线 采集。 显示及键盘模块方案论证 显示模块方案论证 方案一： 采用数码管显示。 虽然数码管显示电路连接比较复杂并且需要另加锁存器对数码管显示的数据进行锁存，甚至还需要一些驱动等外围器件，但是数码管编程简单易懂，并且具有较低的功耗 ，耐老化和精度高等 优点。 此外，数码管 仅能显示少数的几个字符，显示的内容 很 少，基本上 不可能 显示汉字。 方案二： 采用 LCD 显示 器件。 液晶显示屏（ LCD）具有 低 功耗，辐射 小 、平面直角显示 、 影象稳定，可视面积 较 大，画面效果 较 好， 并且 既可显示图形，也可显示汉字，分辨率 较 高，抗干扰能力 很 强，显示内容多等 优 点。 此外， LCD 与单片机能够 直接相连，电路设计及连接简单 ]6[。 该 设计 不需要显示汉字，且考虑到成本问题， 故 选择方案一。 键盘模块方案选择 方 案一： 使用无线遥控键盘进行人机交互。 无线遥控键盘操作简单，人机交互时能够在一定范围内易懂，不局限于系统硬件本身所在，比较人性化。 但是考虑到本系统采用的单片机的内存需求和运算能力，以及系统本身对算法的要求较高，运湖北理工学院 毕业设计（论文） 9 算量大，若采用无线遥控键盘将是单片机的一大负担，甚至运行过程出现程序“跑飞”等不正常现象。 此外成本较高，不值得采用。 方案二： 采 用 4*4 按键组成的键盘。 这种键盘成本低廉，电路简单，键位很多足够系统使用，只需编写扫面程序就可使用 ， 这样能够为单片机对于运动轨迹的运算腾出大量空间和时间，大大提高单片机的运行 效率 ]7[。 根据以上论述， 故 采用方案二，在系统中使用 4*4 键盘。 控制方式论证 方案一：采用开环控制 方式。 这种方案的缺点在于不能 实 时得到被控物体的准确坐标 和信息 ，无法 准 确地完成系统要求 的 运动 ，并且不能及时调整物体的运动。 方案二：采用闭环控制 方式。 这种 方案 能够 实时 地反馈被控物体的坐标及执行机构运行状况，使 单片机 对其有较 准确 地控制。 受外界干扰也能迅速 得到 矫正。 根据系统要求，方案二能准确地完成题目 要求 ， 故 选择方案二。 湖北理工学院 毕业设计（论文） 10 3 硬件电路设计 系统 硬件整体结构简介 根据系统设计 的 要求以及对系统整体 要求 乃至各个部分的方案论证得到： 本设计 是以单片机作为 核心 控制器，通过 驱动 控制两台 步进 电动机的运 转 ， 进而 实现对被控物体运动轨迹的控制。 由寻迹 模块 来检测被控物体 的 运动轨迹 于板上的偏差，反馈 到单片机 控制器。 由单片机经过 逻辑 运算， 从而 发出调整控指令。 本设计 电源模块 采用 7805 和 7812 分别作为两个直流电源的稳压芯片 ， 以 L298N 驱动芯片驱动 步进 电机 工作 带动物体转动 ， 用两个多圈电位器来实现电机速度采集 ， 寻迹 部 分 采用 4 个反射式光电传感器进行探测 ， 显示 部分 采用 7219 芯片来驱动六个LED 八位数码管 进而 来显示物块所在的 X 坐标和 Y坐标 ， 键盘模块采用 4*4 键盘。 系统总体框图如图 所示 图 系统整体框图 寻找黑线 的方法 ，采用模糊寻找的方 法 ，首先物体从（ 0， 8） 坐标点 运行到（ 80， 控制器 LED 显示 44键盘 电机 A电机 B 寻迹部分 执行机构 电机驱动电 源（ 12V） 单片机的供电电源（ 5V） 速度采集模块 电机驱动模块 湖北理工学院 毕业设计（论文） 11 8） 坐标点 ，检测这之间有无黑线。 若没有 ，则从（ 80， 16） 坐标点 运行到（ 0， 16）坐标点 ，再检测这之间有无黑线。 若 有，则从（ 0， 12） 坐标点 运行到（ 80， 12）坐标点 ， 再 检测，如果没有检测到黑线，再进一步缩小范围 从（ 80， 14） 坐标点 运行到（ 80， 14） 坐标点。 若 检测到黑线，再进一步缩小范围从（ 80， 10） 坐标点 运行到（ 80， 10） 坐标点 ， 直到 当检测到黑线时 ， 停下，此处 作为 是黑线起点。 如果没有检测到黑线则返回从（ 80， 12） 坐标点 运行到（ 0， 12） 坐标点 检测到的黑线作 为黑线起点。 以同样的运行检测方 法 即可找出黑线的起点。 在连续段寻迹时， 单片机 通过 识别 四个传感器的 16 种组合状态，使电机作出相应的 正反转 动作。 当轨迹为间断线时，电机 带动 传感器在大角度方向内位移，直到在某一方向检测到新的黑线 的时候停 止。 然后再调用连续段的寻 迹程序 重复检测。 AT89C52 的 P0 口与 4*4 键盘相连， 、 、 控制 A/Dz 转换， 、 控制显示模块 4个光电传感器与 、 、 、 相连，两个电机的驱动分别由 、 、 和 、 、 控制。 系统硬件电路连接及资源分配如图 所示。 图 系统硬件电路连接及资源分配 L4~L1 4*4 键盘 C4~C1 CS A/D 转换 CLK DOamp。 DI 光电检测模块 （ 4 个光电传感器） ~ ~ AT89C52 ~ ~ LOAD DIN 显示模块 CLK 电机 1 电机驱动模块 电机 2 湖北理工学院 毕业设计（论文） 12 电源部分电路设计 7805 芯片介绍 H7805 芯片 系列为 3 端正稳压 集成 电路 ,TO220 封装能 够 提供多种固定的输出电压 ，三端分别是输入端、接地端、和输出端， 应用范围广。 集成电路内部不仅含有 过流、过热 保护电路，而且还有调整管保护电路以及 过载保护电路 ，使用时可靠方便，并且价格低廉。 最大 输出电流可达 到 1A，但是必须另加散热片 ]8[。 主要特点： 1 带散热片的 输出电流可达 1A 2 输出电压有 5V 3 过热保护 4 短路保护 5 输出晶体管 SOA 保护 极限值： VI—— 输入电压 (VO=5~18V)—— 35V Rθ JC—— 热阻（结到 壳） —— 5℃ /W TOPR—— 工作结温范围 —— 0~125℃ Rθ JA—— 热阻（结到空气） —— 65℃ /W TSTG—— 贮存温度范围 —— 65~15℃ 电源部分电路 本 设计 中采用 双电源供电。 将电机 供电 电源（ 12V）和单片机的供电电源（ 5V）完全隔开，可以彻底消除 驱动 电机 时 所造成的干扰，提高了系统的稳定性。 由于使用了 12V 电机，其额定工作电压为 12V，而单片机额定工作电压为 5V，所以 供电 电路中采用了 7805 和 7812 作为稳压模块，其最大输出电流为 ， 完全 满足电机驱动电流的要求，其电路如 图 所示 ]9[。 湖北理工学院 毕业设计（论文） 13 图 电源部分电路 电机控制模块设计 L298N 芯片介绍 L298N 是专用 电机 驱动集成电路，属于 H 桥集成电路，与 L293D 相比 其输出电流增大，功率增强。 其输出电流为 2A，最高电流 4A，最高工作电压 50V， 而且可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等， 尤其 是其输入端可以与单片机直接相 连 ，从而方便 了 单片机 对电机的 控制。 当驱动 步进 电机时，可以直接控制 步进 电机，并可以实现电机正转与反转。 此外， 本模块 还 具有体积小，控制方便的特点。 L298N 使用说明： EN1 与 EN2 使能 为高电平时有效，这里的电平指的是 TTL 电平。 EN1 为 IN1 和IN2 的使能端， EN2 为 IN3 和 IN4 的使能端。 POWER 接直流 供电 电源， 特别要 注意正负，电源正端为 VCC，电源地为 GND ]10[。 步进电机控制逻辑 电平 如下所示，其中 A、 B、 C、 D 为步进电机的四个线圈，为 1 表示有电流通过，为 0 表示没有电流流过。 各点状态如表 所示，线圈连线图如图 所示（以四相步进电机为例）。 湖北理工学院 毕业设计（论文） 14 表 管脚状态 图 线圈连线图 电机驱动模块设计 物体 的 运动轨迹由电机的转速和转向决定， 对于 电机的转速和转向的控制是通过多圈电位器对滑轮所转的圈速进行检测，同时 单片机 通过另一个计数器对时间进行 计时 ，结合两个计数器的值，由单片机 经过逻辑运算 算出电机的速度，而物体运动轨迹的里程由滑轮的周长和所转的圈数来 算出。 本 设计 由单片机 内部 直接产生 PWM 信号，当 单片机接受到相应的信号时，单片机转到中断处理信息， PWM 信号停发。 将单片机 内部 产生的 PWM 信号经光电隔离器湖北理工学院 毕业设计（论文） 15 耦合后， 通过 控制 L298 驱动芯片来 进而 控制电动机的正反转、启动、制动。 原理图如 所示。 单片机 控制 IO 口 将 、 作为输出控制使能端 ,、 设为 为电机一的控制端 ,、 设 为电机二的控制端。 L298 的两个控制端（ C、 D）的工作状态 由表 列出（ Ven 为使能端）。 表 L298N 控制表 输入 功能 Ven=H C=H。 D=L 正转 C=L。 D=H 反转 C=D 制动 Ven=L C= D= 停止 图 电机驱动电路 湖北理工学院 毕业设计（论文） 16 电机速度采集 模块 设计 ADC0832 介绍 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，是美国国家半导体公司生产的芯片。 ADC0832 的最高分辨率能够达到 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。 在ADC0832 内部参考电压和电源输入复用，使得芯片的模拟电压输入在 0~5v 之间，ADC0832 转换时间仅为 32us，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。 独 立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制更加方便。 通过 DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 其目前已经有很高的市场应用 普及率 ]11[。 电机速度采集电路 在 上述 方案论证中已经确定本 系统 电机速度采集 采用 通过多圈电位器检测转速来得到电机的 运转 速度。 如图 所示，速度采集 模块 中使用多圈电位器即图中W W2来 检测，然后通过 ADC0832 进行 信号 转换。 ADC0832 是一个 8位双通道 A/D 转换器 ]12[。 所 选用的多圈电位器为 10 圈、 47KΩ， 直径为 5cm 的 动滑轮，则旋转一圈的 周 长为： 5L  由 ADC0832 的分辨率得出，采集到 的 最小线位移为： 8/2lL 当电机开始 运转 时，拖动滑轮转动，多圈电位器和滑轮 将 同步转动， 进 而改变多圈电位器的输出电压， A/D 转换器将多圈电位器的输出电压 模拟信号 转换成数字信号 传 送给单片机处理，从而实现对滑轮运转 状态 精确采集。 湖北理工学院 毕业设计（论文） 17 图 电机速度。