1、 1 悬挂运动控制系统 【摘要】 本系统采用 凌阳 16 位 单片机 SPCE061A 作为控制中心 ， 由直流步进电机、红外 收发对 管 、 4*4 键盘 及 中文液晶显示 屏 构成的悬挂运动控制系统。该系统能自由控制悬挂物体完成自行设定运动、画圆 运动 、沿黑线运动等，并能 正确显示物体到达的坐标位置。 【关键词】 SPCE061A 单片机 中文液晶显示 屏 逼近画圆 算法 A Control System For Suspension Movement AbstractThis design uses SPCE061A as the control core to build a sus
2、pension movement control system which consists of a DC step motor, infrared emitting tube, 4X4 keyboard and an LCD display screen for Chinese characters. The system can control the suspended objects to complete the movements set by itself, such as drawing the circles, moving along the black lines an
3、d doing other movements. It also can display the correct location of the coordinate where the object reaches. Key words: SPCE061A Single chip， Chinese characters LCD， Closing Algorithm for circle drawing 一、 方案的选择与论证 1、单片机选择 方案一：采用传统的 8 位 89C51 单片机 作为运动物体的控制 中 心。 51 单片机具有价格低廉 ,使用简单等特点，但 其 运算速度低 ，功能单一
4、 ， RAM、 ROM 空间小等 缺点 。 本 题 目 在 确定圆周坐标值 时 ， 需要 进行大量的浮点数运算 ， 若 采用89C51 需要做 RAM， ROM 来扩展 其内存空间， 其 硬件 工作量必然大 大增多 。 方案二 :采用 16 位单片机 SPCE061A 作为 运 动物体 的控制 中 心。 SPCE061A 具有丰富的资源： RAM， ROM 空间大、 指令周期短、 运算速度 快、低功耗、低电压、可编程音频处理，易于编写和调试等优点。尤其 在复杂的数学运算，其运算速度快，精度高 ， 在控制步进电机时 运行速度比一般 51单片机 快 。 基于上述分析，拟选择 方案二。 2 2、电动
5、机 选择 方案一：用步进电机实现物体的精确定位和方向控制。 步进电机是一种脉冲控制 电机，它是一种能将脉冲信号转换为角位移的数模转换器，可广泛用于无需反馈控制 但 要求有精确位置的场合 。 方案二： 采用 带 旋转编码器控制 直流电机 ， 电机 运转平稳 ， 精度可以得到保证。 但 其驱动电路 复杂 ， 在短时间内难与实现 。 在本题中 因 考虑到控制画笔画图准确性 和 电路的复杂性 ， 拟选择 选用 方案一 ， 并采用 控制性能 高 的步进电机 来控制运动物体 。 3、控制物体 运动 算法 方案一： 直线插补法。直线插补法是在绘图系统中常用的一种逐点比较算法。它的原理是：执行机构每走一步，都
6、要和给定轨迹上的坐标值进行一次比较，看当前位置和轨迹位置的关系，从而确定下一步的进给方向。如果当前位置在给定轨迹的下方，下一步向给定轨迹的上方走，反之则相反。如果当前位置在给定轨迹的里面，下一步向给定轨迹的外面走， 反之则相反。这样走一步看一步，决定下一步走向，形成“逐点比较” , 使走线逼近给定轨迹。 方案二：直线简易算法。这种算法是根据计算机图形学中直线的显示方法改变而来，基本原理也是“逐点比较”，执行机构根据当前位置和轨迹位置的关系，从而确定下一步的进给方向，但是数据的处理过程不同。在直线插补法中，一次循环只能确定一个走向（ X 向或 Y 向），而在直线简易算法中，一次循环可以走两步，这
7、样可以大大提高效率。同时，直线插补法要考虑象限的问题，不同的象限有不同的计算公式，而直线简易算法绕开了象限的问题，可以节省很多代码。 结合软件编程的难易和上面的比较， 拟选择 选用方案二。 4、黑线探测模块 方案一：采用红外反射式探测，即用已调的红外线垂直射到板面，经反射后转换为电信号送入单片机处理，这是一种很普遍的应用，但是它存在着缺点：（ 1）由于反射距离较短，红外反射功率小，如果板面的纸凹凸不平或白纸表面有杂物，也会使单片机误判。（ 2）由于板面的黑线可能是墨水或者胶布，两种虽然都是黑色，但经实际应用发现其反光程度均不同，也会对红外传感器造成一定的干扰。 方案二：采用多路阵列式光敏电阻组
8、成的光电探测器。因为光敏电阻探测到黑线时 ，黑线上方的电阻值发生变化，经过电压比 较 器比较将信号送给单片机处理，从而控制物体做相应的动作。光敏电阻对环境光的识别，要求考虑外界环境光 的影响，测试时可能在室内或室外，为了消除外界光照强度的干扰，在 每个光3 敏电阻旁边加了一个高亮度发光二极管，这样每个光敏 电阻 的环境一样，即使在黑暗的条件下也可以正常工作。测试结果表明使用这种方法就可以消除外界光的干扰。 基于上面的讨论， 选用了抗干扰能力强的方案二。 5、显示方案 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 ，显示 信息量较小。 方案二：采
9、用 汉字 LCD 液晶显示器。 LCD 有明显的优点： 微功耗、尺寸小，超薄轻巧、 显示 信息量大 、字迹清晰、美观、 视觉 舒 适 ； 可以 用中文 LCD液晶 进行菜单显示 ，使整个控制系统更加人性化 。 基于上面的比较 分析和现有的 LCD 器件 ，拟 选用方案 二。 二、 系统的具体设计与实现 1、系统的总体设计方案 如图 1 所示采用 凌阳 16 位 SPCE061A 单片机作为运动物体的控制 中 心 ， 进行数学计算 、 对 光电传感器送来的信号进行处理 来控制运动物体的运行方向、计算运行物体的坐标位置、 LCD 数据显示 、键盘控制等 。 图 1 系统原理图 4 2、 系统硬件设
10、计与计算 （ 1） 电机驱动电路的设计与实现 图 2 电机驱动电路 具体电路如图 2，该电路采用 L298 驱动芯片， L298 驱动芯片是性能优越的小型直流电机驱动芯片之一。它可被用来驱动两个直流电机或者是 一个 步进电机。在 4 46V 的电压下，可以提供 2A 的 驱动 电流。 L298 还有过热自动关断功能，并有反馈电流检测功能 ， 符合电机驱动的需要。 由于采用的是步进电机，所以对电机的驱动必须是采用脉冲控制。 本作品 中的控制系统 采用 5V 电源 ， 电机驱动 L298 的电源也使用 5V。 基于稳定性 考虑 ，我们运用了 TLP521 光耦集成块，将 主 控制部分 电源 与电
11、机 驱动部分 的电源 隔离开来，这样 减少电机对主控制电路的干扰。 （ 2） 黑线探测设计与实现 利用该模块探测板面黑线的原理是：光线照射到板面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同， 黑线上方的电阻值发生变化，经过电压比器比较将信号送给单片机处理 。电路示意图如 图 3： 5 电 压 比 较 器电 压 比 较 器单 片 机单 片 机2 1,3 为 光敏电阻 黑色引导线 2,4 为 光敏电阻 图 3 黑线探测示 意图 本电路（ 如图 3）利用光敏电阻在不同的光照的条件下电阻变化的原理。根据第几路的光敏检测到黑线来控制步进电机 的转向。 将光敏 电阻 分为前、后、左和右四个方向，设计为 +字形。
12、采用一组两个探测头，当出现一个探测头的误判时，可以通过软件禁止物体跑出轨迹。当探测头 1 检测到黑线时，物体左 走 ，同时禁止物体右转防止跑出黑线，直到中间的探测头 2或探测头 4再次检测到黑线证明 物体 已经回到 黑线上 才 向前走 ，这样就可以保证物体不会跑出黑线。在试验时 采用的电路 如图 4。 1 3 4 6 图 4 黑线探测原理图 由于在正常状态下每个光敏电阻 感光量相同 ,通过调节电位器，使得电压比较器输出为零，当内侧（黑线两侧）的光敏电阻进入黑色引导带时，感光量大大改变，电压比较器翻转电压为高电平。将电平变化送到单片机控制物体的调整方向。用这种方法即使板面受到不同程度的光照射，比
13、较器正向输入端和反向输入端的变化值相等，比较器输出端不变。只有黑色引导线进入内侧一组光敏电阻区域才能引起感光量大大改变，比较器 才 翻转 ， 这种方法抗干扰能力强。 （ 3） 红外线无线控制 台 电路的设计 采用 红外线无线通信可以对运动物体进行远程控制 并传输 物体的坐标 位置到远处的控制台 显示。 发射 电路 如图 5 示，由 NE555 构成无稳多谐振荡器，其振荡频率由电阻 W1、 R1和 C3决定，通过调节 W1 可以改变振荡频率，使输出频率为 38KHz。 T 作为 单片机的串口输出端 ，当 T为高电平时， T1 截止， T2、 T3 没有振荡频率。当 T 为低电平， T1 导通，
14、这样 38KHz 就可以 对 T 出来的信号 进行 调制 ； 调制后的信号经过 T2、 T3 后 级电流放 大 去 控制红外 线 发射管。 红外线的接收电路直接采用彩色电视机的一体化接收头 ，达到 预期效果。 7 图 5 红外无线控制 台 原理图 （ 4） 语音播放电路 通过 SPY0030 功率放大器，驱动喇叭，完成 对 物体运行时间的 语音播放（图6） 图 6 语音播放电路 （ 5） 显示模块 采用 汉字 液晶显示 屏 作为显示 模块 ， 同时使 用 4*4 键盘操作，以菜单形式进行显示 。 显示设定位置值、当前位置值。 三、 系统软件设计 及数学运算 （ 1） 系统主程序 流程框图 （图
15、 7） 8 图 7 主程序流程图 （ 2）物体位置控制部分 图 8 物体位置示意图 9 1、 坐标点参数的计算 将画笔所在的位置设定为整个物体的位置。如图 8 设定物体位置的初值 坐标为（ X,Y） L1= L2= 设 电机 A 的步进为 a cm, 电机 B 的步进为 b cm，物体高度为 h cm。 如图 8 为物体在画板某一位置，则有： 222 )1( LahX 222 )2()100( LbhX 解得 X 轴点位置和 h为 152 2 01 1 0)2()1( 222 LbLaX 22)1( XaLh 则 Y 轴点位置 Y=115-h 控制物体从一点到另一点的实现就是当 X、 Y已知条
16、件，求电机的步进过程。由图 8 解得： 222 )1()1 1 5()15( aLYX 222 )2()1 1 5()15(1 1 0 bLYX 解得 1)1 1 5()15( 22 LYXa （ cm） 2)115()15(110 22 LYXb （ cm） 由此，利用软件实现 以上 算法 来 分别 控制 两个步进电机的步进 a， b，这样就可以向控制系统输入 起点 坐标 和 终点坐标 让 物体在画板置 任意行走 。 因此 物体可以由 自行设定的两点坐标走直线。 也可 以将曲线分 为多点坐标 ，采用直线逼近法走曲线。 2、 多边形逼近画圆 实现画圆算法 一个正多边形，当其边数 n足够大，即每
17、边所对的圆心角 足够小时，就非常接近一个圆。这样，画圆的问题就变成画多边形、画直线的问题了，只要确10 定 n 和 角的大小，多边形顶点的坐标位置，就可以绕开烦琐的象限问题，直接利用上面的画线的简易算法来实现画圆。 1） 、 n 和 角的大小的确定 在用正多边形逼近一个圆时，假设多边形的各个顶点落在圆周外侧，而各边中点落在圆周内侧，并假设它们偏离圆周的绝对误差均为，如图 9 所示，只要 0.5，则边线与弧线的差别就可以忽略。图 9 中， R 为圆半径，正多边形的边数 n 与每边所对圆心角 的关系为 n=2 / 根据图 2-2-2的几何关系，不难得到 （ R+） -（ R+） cos( /2)=
18、2 （ 1） 一般 远小于 1弧度， cos( /2) 1-（ ） 2/8，故上式可简化为： （ R+）（ ） 2/8=2 （ 2） 由式 1和式 2解得： n=0.5 1/ R 0.5 /R （ 3） 若取 0.5，代入式（ 3）可得 n2.5 R 当圆心为（ m,n）时，将圆分成 360 份，假设物体走到第 i 份时，以圆心为原点，物体的坐标 (X,Y) 计算为 i 的角度 180 i 物体的位置 cosrmX sinrnY 求得 物体的坐标位置后在利用以上 坐标点参数的计算得出来的结果控制物体在两点坐标间走直线 。 多边形的边数 n的值 越大，画出来的圆精度就越高。 2） 、 多边形逼近法画圆 流程框图 在上面的讨论中，知道了多边形的边数 n 的值和多边形顶点坐标的推导方法，这样可以利用画直线的简易算法用线段来完成圆。以圆心在（ X1,Y1），起点在（ X1-R,Y1），顺时针方向画圆流程图 如下 图 10。 图 9 正多边形逼近圆示意图
