基于单片机的悬挂系统设计(编辑修改稿)

基于单片机的悬挂系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

22 自行设定运动测试 23 圆周运动测试 23 定点运动测试 23 循迹运动测试 24 系统实现的功能 24 结论 26 致谢 错误 !未定义书签。 参考文献 27 1 绪 论 现代的车辆运动、医疗设备和工业控制等系统中，悬挂运动系统的应用越来越多，在这些系统中悬挂运动部件通常是具体的执行机构，悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素，因而实际实现悬挂运动控制系统的精确控制具有极其重大的现实意义。 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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。 使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控 制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像 普通的直流电机，交流电机在常规下使用。 它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。 MSP430 系列单片机是美国德州仪器 1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处 理器（ Mixed Signal Processor）。 称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。 该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。 本系统采用低功耗 MSP430F1611 统平台设计了悬挂运动控制系统，采用 L298驱动步进电机 ，提高电源利用率；红外传感检测，提高纠错能力。 由单片机产生脉冲信号驱动有精确步距的步进电动机，电机带动悬挂部件在平面上做特定的准确运动。 通过完成基于 MSP430 单片机的悬挂系 统软件的设计，将自动化专业相关的理论融会贯通，理解 MSP430 单片机、步进电机的运行原理，步进电机的启动、控制方式，学会分析问题、解决问题，掌握系统工程设计的方法，为今后从事相关领域的研究及技能工作奠定良好的基础。 2 1 方案的比较与论证 设计 任务 本课题要 设计一 电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角 ≤100 度）的板上运动。 具体为 在一 白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为 80cm100cm。 物体的形状不限， 但 质量大于100 克。 在 物体 上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。 板上标有间距为 1cm 的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点 , 示意图如下 图11 所示。 图 11 任务 示意图 80cm100cm15cm 15cm15cm原点15cm 3 设计 要求 (1) 控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数； 物体在 80100cm的范围内 可以 作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于 100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹， 且必须要在 300 秒内完成； 控制物体作圆心可任意设定、直径为 50cm 的圆周运动， 且必须要在 300 秒内完成； 物体从左下角坐标原点出发，在150 秒内到达设定的一个坐标点 (两点间直线距离不小于 40cm)。 (2) 能够显示物体中画笔所在位置的坐标； 控制物体沿板上标出的任意曲线运动，曲线在测试时现场标出，线宽 ～ ，总长度约 50cm，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约 30cm；后一部分是两段总长约 20cm 的间断线段，间断距离不大于 1cm；沿连续曲线运动限定在 200 秒内完成，沿间断曲线运动限定在300 秒内完成。 数学模型 本设计要求悬挂物能够画一个圆，采用微分曲线直线逼近法。 首 先将圆周等分为n 份，将每小份弧线段等效为直线段画出， n 越大，曲线就光滑。 设所画圆的圆心坐标为 （ 0x , 0y ） 半径为固定的 25cm， （ x ,y ） 为圆周上的任意一点，由此确定圆的方程为： 22020 25)(  yyxx ）（ （ 11） 若直接使用该方程来求圆上点 的坐标，算法比较复杂，采用了圆的参数方程： txx sin250  （ 12） tyy cos250  （ 13） 这样，则圆的坐标仅与参数 t 有关， 使角度 t 以某一设定的角度步长 v 累加，使t+q*v 在周期 [t,t+2π]内变化，其中 q 为累加值。 这样就可以采样到圆上均匀的点，显然，角度步长 v 越小 ，在圆周上取得点越多，控制也会更精确 [1]。 4 系统方框图 系统总方框图如图 12 所示 图 12 系统总方 框图 方案的论证与选择 单片机的选择与论证 系统的控制单元是整个系统的大脑，是整个系统运行的核心部件，起着控制系统所有运行状态的作用。 通常选用单片机作为系统的核心控制单元。 根据题目的设计要求，本设计主要实现勾画设定轨迹和对设定轨迹的搜寻功能，并能实时的显示物体中画笔所在位置坐标。 方案一： FPGA/CPLD 方式。 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。 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，所以可选择的 F1611 单片机，有非常丰富的资源，大容量的 RAM 和 FLASH，可以存储大容量的程序 [4]。 多圈 电位器 A/D 转换 键盘 反射式 光电传感器 控 制 器 显示 驱动 电机 驱动 显示 直 流 电 机 5 基于以上分析，拟选用方案二。 电机的选择与论证 方案一 ： 采用普通直流电机。 直流电机具有优良的调速特性 ,调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统不同的特殊运行要求。 方案二：采用步进电机。 步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负载不超过步进电机所能提供的动态 转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。 另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。 基于以上分析，拟选择方案二。 驱动电路的选择与论证 方案一：采用电机驱动芯片 L298N 来驱动。 L298N 芯片可以驱动两个二相电机， 输出电压最高可达 50V，可以直接通过电 源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号。 方案二：自制步进电机的驱动电路。 通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。 但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别 进行放大，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。 基于以上分析，拟选择方案一。 显示模块的选择与论证 方案一：采用 LED 数码管显示器。 LED 数码管亮度高、醒目，但是其电路复杂，占用资源较多且信息量小。 方案二：采用 LED 液晶显示器。 LCD 有明显的优势：工作电流比 LED 小几个数量级，故其功耗很低；尺寸小，厚度约为 LED 的 1/3；字迹清晰、美观、使人感觉舒服；寿命长，使用方便。 针对本课 题，对信息量要求比较大，而对亮度的要求并不是很高，经过仔细比较 ，我们决定采用方案二。 6 红外探测器工作方式的选择与论证 红外探测器由于 发射功率大、抗干扰能力强而在工业生产中有着广泛的应用。 红外探测器按其工作模式可大致分为主动式与被动式。 主动式红外探测器自带红外光源，通过对光源的遮挡、反射、折射等光学手段可以完成对被测物体位置的判别；被动式红外探测器本身没有光源，通过接受被探测物体的特征光谱辐射来测量被探测物的位置、温度或进行红外成像。 主动式红外传感器又可分为分立元件型、透射遮挡型和反射型。 分立元件型发光管与接受管相互独立，用户在使用时可以 根据需要灵活的设定发光管与接受管的位置，并可利用棱镜、透镜等完成特殊的目的，其缺点是装置麻烦；透射遮挡型和反射型通过塑料模具将发光管与接受管封装在一起，非常方便用户使用。 反射式光电判读器外型如图 13 所示。