1、悬挂运动控制系统摘 要本文论述了悬挂运动控制系统各单元方案的比较与论证，最终确定该系统采用 STM32 微控制器作为控制中心，用步进电机细分电路控制步进电机并且通过计算测量绳子所绕长度，计算得到物体的具体坐标，并且能对该系统实现流畅精确的控制。该系统为半闭环控制系统，并且该系统能够和我们开发的遥控进行双向通信、实现人机交互。一方面可以通过遥控向系统初始化物体所在的即时坐标，另一方面系统也可以向遥控发送物体的坐标等反馈的信息，让操作非常形象直观。本系统在原题目的基础上，还添加了无线通信以及遥控作图的功能。关键词： 悬挂运动控制 STM32 无线通信 坐标定位AbstractThis articl
2、e discusses the suspension motion control system units and demonstration programs compare to finalize the system uses STM32 microcontroller as a control center, with the stepper motor and stepper motor control sub-circuit measurements by calculating the length of the rope are wound, the calculated t
3、he specific coordinates of objects, and the system can achieve smooth precise control. The system is semi-closed loop control system, and the system is capable of and we have developed a remote control for two-way communication, to achieve human-computer interaction. On the one hand to the system by
4、 remote control where the real coordinates of the object initialization, other systems can be transmitted to the remote objects coordinates for the feedback information, so that the operation is very visual image. The system is based on the original subject, also added a wireless communication funct
5、ion.Keywords: suspension motion control STM32 wireless communication positioning coordinates 目 录1 系统方案11.1 系统结构 11.2 方案比较与选择 11.2.1 电机的论证与选择 11.2.2 测距模块的论证与选择11.2.3 主控芯片的论证与选择21.2.4 无线通信模块的论证与选择22 系统理论分析与计算22.1 系统确定坐标点的计算方法22.2 系统实现两点间运动方法32.3 系统实现自设轨迹的运动方法52.4 系统实现圆周运动方法52.5 系统循迹方法53 电路与程序设计73.1 电路
6、的设计 73.1.1 系统总体框图73.1.2 主控制器的介绍 73.1.3 步进电机的介绍73.1.4 基于 THB6064H 的步进电机驱动器介绍 83.1.5 遥控原理103.2 程序的设计 113.2.1 程序功能描述与设计思路113.2.2 程序流程图（部分源程序见附录 N）113.2.2.1 定点模式流程图 4 测试方案与测试结果113.2.2.2 预设轨迹模式流程图123.2.2.3 画圆模式流程图.123.2.2.4 红外循迹模式流程图124 系统测试 134.1 测试方案134.2 测试仪器134.3 测试结果（完整测试结果见附录 3）134.3.1 定点模式测试结果与分析
7、134.3.2 预设轨迹模式测试结果与分析144.3.3 画圆模式测试结果与分析144.3.4 红外循迹模式测试结果与分析144.3.5 测试结论 5 总结145 总结 146 参考文献 14附录 1：电路原理图 14附录 2 部分源程序15附录 3 PCB 图 17悬挂运动控制系统（C 题）【本科组】1 系统方案1.1 系统结构步 进 电 机步 进 电 机 细 分 电路主 控 制 器基 于 S T C 8 9 C 5 2 的遥 控图 1 悬挂控制系统结构图如图所示，本系统 STM32103FZET6 为主控芯片，配合步进电机电机细分电路、步进电机，通过迅速地采集物体运动实时信息进行闭环控制。
8、并且主控芯片还通过无线模块与遥控双向通信，能够通过遥控输入控制物体运动的信息、预设的运动轨迹，也能通过主控芯片向遥控发送物体坐标等信息。下面分别论证这几个模块的选择。1.2 方案比较与选择1.2.1 电机的论证与选择方案一：步进电机方案二：直流电机方案分析：步进电机是将点脉冲信号转换成角位移或者线位移的开环控制元步进电机件。步进电机的转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按照设定的方向转动一个步距角。步进电机的控制非常精确。而直流电机的驱动非常简单，它将直流电能转化为机械能，只需在直流电机加入所需的直流电压即可驱动直流电机。而本题目要求
9、在垂直的系统上控制悬挂物体进行运动，题目本身对物体的运动精度有较高的要求。而直流电机往往不同的电机之间差异较大，并且无法很难精确测量所转过的距离，故我们选用方案一，即步进电机。1.2.2 测距模块的论证与选择方案一：红外光电对管以及测速码盘配合直流电机1方案二：步进电机配合步进电机细分电路方案论证：红外光电对管和测速码盘的使用在智能小车的测速方案中运用得非常广泛。其原理是测速码盘的光栅在转动的时候给红外光电对管一个个脉冲信号，通过单片机测得脉冲信号的个数即可推算转动的速度。而若运用步进电机，只需要知道最小转过的角度通过计算步进电机上所连接的转轴的周长就可以计算出步进电机每转一个最小角度所拉动绳
10、子的距离，并且通过步进电机细分电路就可以把精度提高。由于直流电机测速码盘有几十线到几百线不等，而题目本身对精度要求很高，故需要上百线的码盘。而在手动安装码盘的过程中经常由于安装位置不当使光电对管测得的脉冲信号不稳定或者出现丢失脉冲的情况。故为了系统的稳定可靠性，故我们选择方案二，系统采用了两个步进电机和步进电机细分电路模块来计算得到拉线的长度。1.2.3 主控芯片的论证与选择方案一：STM32103FZET6方案二：STC89C52方案论证：STM32103FZET6 最高工作频率为 72MHZ，属于中等容量增强型，32 位基于 ARM 核心的微控制器。其内部资源丰富，具有 7 个定时器，3个
11、 AD 通道。而 STC89C52 相对而言资源较少，并且速度就只有 11.592MHZ，而在光电编码器的数据的处理上需要相对高的速度和精度，所以我们选择方案一，使用更加精确便捷的主控芯片 STM32103FZET6。1.2.4 无线通信模块的论证与选择方案一：蓝牙模块方案二：NRF24L01 模块方案论证：蓝牙是一种取代数据电缆的短距离无线通信技术，能够实现点对多点以及与手机的互连，使用起来较为方便。而 NRF24L01 无线模块是工作在 2.4GHZ-2.5GHZ 的无线收发器件，输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置，适用于几乎所有的单片机芯片。而在系统设计上，由于我们
12、是主控芯片与遥控进行通信。而蓝牙模块对电流量的要求较高，用一般的电池无法驱动，故我们选择方案二，NRF24L01 模块。2 系统理论分析与计算2.1 系统确定坐标点的计算方法如图所示(图 2 坐标确定方法示意图)，我们系统设计的原因，悬挂的物体是一个圆形，物体上方有 3 个间隔 1.5CM 的孔，中间的孔用来插笔，两边的孔用来悬挂丝线,而我们的坐标是以笔的坐标为基准的。若设最左边的孔的坐标为（X,Y） ，则笔的坐标为（X+1.5，Y） 。又由于我们控制悬挂物体的方法是通过控制两遍悬线的长度，若已知两边悬线的长度分别为 M、N，则如图所示,可以通过计算得：222215(9X)(Y)MN联立求解，
13、得2283914MNX求得 X 之后，根据 222(15Y)(15),即可求得 Y 坐标。由于笔的坐标为（X+1.5，Y） ，则笔的坐标也可以求出。图 2 坐标确定方法示意图2.2 系统实现两点间运动方法本系统实现两点间的运动，是将曲线或直线进行分段化，并且为了轨迹的光滑性，尽可能地把轨迹细分，并且在直线部分用直线插补法进行调节。具体放线方法如图所示（图 3 拉线示意图） ，根据 a1,b1 与 a2 ,b2 长短的比较来判断是拉线还是放线。具体方式如下表（ 表 1 线的长度与拉线关系表） 。表 1 线的长度与拉线关系表长度关系 拉线方向 长度关系 拉线方向a 1a2 收线 b 1b2 收线a
14、 1=a2 静止 b 1=b2 静止a 1X1 时，A=1；当 X2Y1 时，B=1；当 Y2Y1 时，B= -1；当 Y2=Y1 时，B=0；YX x Y L( X 1 , Y 1 )( X 2 , Y 2 )原 点L图 4 直线插补法示意图42.3 系统实现自设轨迹的运动方法系统实现自设轨迹，只需在程序内储存一段特定轨迹的坐标点即可。系统可以根据坐标点一一连接，从而形成想要表达的图案。2.4 系统实现圆周运动方法( X 0 , Y 0 )( X , Y ) *sinR *sinR R图 5 圆周运动分解示意图如图所示（图 5 圆周运动分解示意图） ，圆心坐标为（ X0，Y0）,半径为R，笔
15、的运动坐标为（X,Y） ，则根据圆的特性，可得：22222*sincos,R即 （ X-0） +(Y-)=得到参数方程： 0*sin,*cosX将圆周分成 N 份，用微分方程逼近，即每一段走的角度为 2/N，根据上述公式将曲线折线化，即可在图纸上画出圆形。2.5 系统循迹方法如图 6 所示，我们在悬挂物体上安装了一个牛眼万向轮，方便其在白纸上的运动。在牛眼万向轮的四周安装了八个红外光电对管。红外光电对管在遇到白色的纸时，对管中的红外发射管发出的红外线将反射到对管中的红外接收二级管，从而使红外接收管导通，引脚输出低电平同时指示灯亮，若遇到黑线则红外光被黑线吸收，红外接收二级管保持断开状态，指示灯
16、灭。如图所示（图N 悬挂物体循迹原理图） ，对红外光电对管进行编号，根据悬挂物体指示灯灭的方向即可判断黑线的方向。并且在黑线不连续或者黑线为直角边的情况下也能准确判断。判断黑线的方向的时候，先用遥控向系统发送一个线的趋势，告诉系统线的朝向是向上还是向下。如果是向上，则系统根据红外光电对管 1-3,7、8 的指*sincos示信5号指挥悬挂物运动。若运动趋势是向下，则系统根据红外光电对管 3-7 的指示信号指挥悬挂物运动。如图所示（图 7 悬挂物体循迹原理图） ，若此时运动趋势是向上，则系统根据 2 号红外光电对管的信号，让物体上右上方 45运动。若此时运动趋势向下，则系统根据 7 号红外光电对
17、管的信号，让物体上左方水平运动。3 C M5 C M插 笔 处穿 线 处红 外 光 电 对 管牛 眼 万 向 轮图 6 悬挂物体装置说明12345678图 7 悬挂物体循迹原理图63 电路与程序设计3.1 电路的设计3.1.1 系统总体框图本系统主芯片采用 STM32，外围电路有光电编码器，无线模块NRF24L01，直流电机驱动模块，降压模块，并且能够与我们制作的无线遥控进行双向通信。总体设计框图如图所示（图 8 悬挂运动控制系统系统框图） 。主 控 芯 片S T M 3 2 F 1 0 3 Z E T 6步 进 电 机步 进 电 机细 分 电 路无 线 通 信模 块N R F 2 4 L 0
18、 1基 于 S T C 8 9 C 5 2 的遥 控降 压 模 块图 8 悬挂运动控制系统系统框图3.1.2 主控制器的介绍STM32F103ZET6 是 STM 公司以 CORTEX-M3 为内核开发的芯片，相比于传统的 51 或者 AVR 单片机，STM32F103ZET6 运行稳定度高，运算速度快，内部资源丰富，片内集成 512KB Flash、64KB RAM、1 个 USB、1 个 CAN、8个定时器、5 个 USART、3 个 ADC、2 个 DAC、3 个 SPI、2 个 I2C、2 个I2S、1 个 SDIO、112 个 GPIO、FSMC 总线（支持 NOR,NAND,SRA
19、M） 。CPU主频为 72MHz，广泛适用于各种 8 位机或 16 位机的应用场合。而我们的系统需要比较高的速度，运算量较大，需要定时器等进行运算和数据采集，故使用此主控芯片能很好地满足系统的需求。3.1.3 步进电机的介绍 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。 如图所示（图79 两相四线步进电机原理图）电机中间的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场
20、。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A） ，双（双相绕组通电）四拍（AB-BC- CD-DA-AB） ，八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A） ；此次设计采用八拍控制，控制时序如下表。
21、反转的控制时序与之相反。表 2 步进电机正转控制时序黑 绿 红 蓝 十六进制1 0 0 0 0x081 1 0 0 0x0c0 1 0 0 0x040 1 1 0 0x060 0 1 0 0x020 0 1 1 0x030 0 0 1 0x011 0 0 1 0x09图 9 两相四线步进电机原理图3.1.4 基于 THB6064H 的步进电机驱动器介绍THB6064H 是大功率、高细分两相混合式步进电机芯片式驱动器。它采用双全桥 MOSFET 驱动，低导通电阻。通过设定 M1、M2、M3 的值来设定细分数（图10）。由于步进电机细分的方式是电流细分法，将相电流按正弦波相切得到的电流点作为细分点。在相电流达到细分点时就要控制电流进行控制衰减，否则得话就会出现角度过冲也就无法准确的停留在细分角度上。电机的速度不同选择的衰减模式不同。高速时快衰减、低速时慢衰减。高速时慢衰减就会出现震动大、噪音高等问题。通过设定适当的相电流和衰减方式配合细分数设定，能
