机器人设计论文

科大RoboShow邀请赛1 创意：1.1 创意背景： 我们的创意来自于目前全世界都面临的一个生存危机问题水资源的匮乏。椐统计： 人类拥有的水资源：自然界中的水（覆盖地球表面约71%）海洋水约占96.5%淡水资源约占全球总水量的2.53%，其中可利用的淡水资源只有30.4%，占总水量不到1%，所以世界上有许多国家和地区存在着缺水危机。我国的水资源状况：我国的水资源并不富裕，居世界第六位。人均水量约为世界人均水量的四分之一，许多地区已经出现水资源短缺影响人民生活，制约经济发展的局面，此外许多地区和企业浪费水资源，使水资源受到的污染也很严重，应与于重视。基于以上现况，我们设计如下场景：一天,（机器人）小女孩“毛毛”在放学回家的路上，看见一株因缺水而枯萎的小花，善良的毛毛不想让这株可怜的小花这样的死去，于是为了救这一株小花而到处去找水，但是她所看到的却是干涸的河床、枯黄的野草，最终没有找到一滴水，于是她无奈地回到了小花的跟前，眼看着奄奄一息的花儿，自己却无能为力，就伤心地哭了，泪水落到了花的身上。突然，奇迹出现了，小花因小女孩的泪水而神奇的复活了，小女孩见到此情此景时，转悲为喜，以一段欢快的舞蹈表达小女孩此时此刻的愉快心情。最后用一段发人深思的告白结束全场的表演。1.2 构思过程 经过多次征求意见，组内讨论，我们设计的故事情节如下：（舞台布景：阳光，小路，干涸的河床，干枯的野草野花等等）傍晚，阳光依然没有半点退却的意思。当下课铃响时，毛毛如往常一样高高兴兴地回家。就在回家的路上，偶然在路边看见一株已经凋零的小花。善良的毛毛不忍心让它就这样无声无息的死去。与是毛毛转身去找水来就活小花，但是找来找去都没有找到一滴水，连小河都枯竭了。无奈之下，小女孩只好再次回到小花身边，面对即将死去的小花，小女孩流下了伤心的泪水。突然，小花竟然缓缓地复活了。噢，原来是泪水！是泪水滴在了花的身上！小女孩见到花儿的复活，转悲为喜，欢快地围绕着花儿舞蹈。跳舞的过程中的旁白：（朋友，你知道是谁把生命给了我们？是谁把绿色给了山川？是谁把丰收给了田野？是水！是水！水是生命之源！当宇宙中那颗冰球与地球相撞后，地球便有了水。因为有了水人类才开始生生息息地繁衍，因为有了水大地才披上了绿装，万物才有了生机勃勃的容颜。）最后以一句发人深省的话“为了我们共同的家园，请珍惜每一滴水”结束了全场的表演。2 机械部分2.1头部结构设计机器人头部可以实现两个自由度的运动，使用两台小型减速直流电机，其安装方式如图2.1.1所示：图1 头部电机示意图头部电机1可以实现昂头、低头两种动作，电机1正转由连轴器带动电机2正向转动，如图 2.1.1所示。电机2反转实现头部动作如图2.1.2所示。电机2的正反转带动头部可以实现摇头的动作。图2 头部电机详解图假设毛毛面部在xoz平面内，旋转电机2，其面部转到yoz面内，由头部两个自由度的组合，可以实现头部各种动作。2.2机器人手臂结构设计机器人肩部使用角铁连接，角铁机械强度高，不易变形，在机器人动作时可以有效保持本体形态，不发生抖动现象；手臂使用铝合金材料连接，铝合金质轻、强度高，安装在手臂上可以有效减轻手臂电机的负荷、保证其稳定性。整个手臂共使用6个电机，其中左右手各使用3个电机，左右手安装形式完全相同，下面介绍手部电机安装结构。安装形式如图2.2.1。图3 手部电机示意图电机1、2、3组合，可以使机器人手臂实现三个自由度的运动，能很好地模拟人手大小臂的各种动作。电机1实现张合臂动作，电机2实现大臂动作，电机3实现小臂动作。由此组合成手臂的第二个关节，在整个空间内自由运动。由这4个电机的组合运动，控制手臂在空间内自由运动，实现手臂的自由弯曲。在我们的表演中，可实现毛毛的各种舞蹈动作及其它细微动作。图4 手部电机立体图2.3腰部结构设计腰部由电机5驱动，一改传统的拉线式结构，我们通过连杆与转动轴相连实现弯腰动作。腰部机械结构设计精巧，巧妙的利用了杠杆的原理，电机负荷大大减轻，控制精确，工作稳定。平面设计图如下：图5 腰部电机示意图2.4机器人底盘底盘安装了三个轮，其中由两个驱动轮和一个万向轮组成，安装结构如图 2.4.1所示。图6 底盘俯视图万向轮安装在最前端，可实现0360度自由转向，后轮由两个大功率减速直流电机带动机器人前后运动。3 硬件电路设计系统的硬件电路主要由以下几个模块组成：+5V电源稳压电路及+9V电压稳压电路、红外传感器调理电路、直流电机驱动电路、单片机最小系统板电路。以下分别介绍：3.1 控制模块单片机最小系统板的设计图7 AT89S52单片机最小系统原理图该模块的附加功能如下：单片机的P3.3口接一按钮开关，即可用于人机交互的I/O口输入按键，又可作为外部中断1的人为输入端；P3.4口接一个发光二极管，用于显示一个I/O口的状态；P3.5接蜂鸣器，编写相关程序可实现系统设计的报警功能。该最小系统板有上电按键复位电路，有电源指示灯，有外部扩展EEPROM接口，有防电源反接保护电路，四组I/O口均可接排阻，由跳线帽设置。本系统板适用51系列其它任何单片机芯片，具有良好的通用性。单片机使用晶振为11.0592MHz。3.2 传感器的设计与安装图8 红外传感器驱动原理图该电路可以驱动四个红外对管，集成运放用最实用的四运放芯片LM324。本电路图利用简单的红外发射接收原理及运放制作的电压比较器将信号调整成TTL高低电平。便于单片机的实时采集。车底座四个红外发射接收传感器，用于检测地面及记录路程状态，便于返回安全区域。车身四角上方各有一个红外接收管，呈45度角装置，便于当小车走到白色节点时检测四周四个黑色方格内是否有火源。与风扇吹风相同的方向装有两个红外接收传感器，判定风扇是否已经转向火源。具体参考：5.1.6 整机装备图解。关于寻迹及计白线传感器的安装是经过多重考虑最终确定的。将四个传感器放在小车车身中央同一条直线上，这样组合使用可以实现功能如下：寻迹、计白色线数、处理临界状态、防出界、防遇到障碍物等等功能。但它也有局限性，小车后退寻迹无法实现，只有靠转弯来后退，如果将传感器都放后轮轴下方，就可以很好地跟随主动轮一起实现前进或后退寻迹功能，但装在后轮下方就会失去更多功能。权衡利弊，确定让四传感器装在车底座中央下方一条直线上。3.3 直流电机驱动模块直流电动机的驱动一般可以采用两种方法：由三极管组成的H桥驱动和集成电路驱动。从稳定性的角度考虑，我们选用了集成芯片L298。一片L298可以用来驱动两个直流电动机，工作电压最高可达到46V，在646V的电压下，可以提供2A的工作电流，L298自带过热保护电路。利用L298及其外部辅助电路和电机构成驱动电路。单片机控制口接L298的四个输入控制端IN1,IN2,IN3,IN4。L298的两个输出端OUT1,OUT2接电机。电机转动状态编码如表1.2所示。表1.2电动机状态编码表左电机右电机左电机右电机电动车运行状态1IN11IN22IN12IN21010正转正转前行1001正转反转左转1000正转停以左电机为中心原地左转0110反转正转右转0010停正转以右电机为中心原地右转0101反转反转后退图9 直流电机驱动板根据上表可知，只要设定一块L298的IN1,IN2,IN3,IN4四个控制端口的不同编码，就可得到电机的正转，反转等不同的运行状态；可使电机稳定运行，L298如图3.3所示。3.4 电源模块电源无疑是机器人设计中一个非常重要的一个模块，只有电源的稳定可靠才使机器人有可靠运行的可能。因为是移动的机器人，所以它的能源需要与自身本体一起移动，可充电电池成了最好的选择。在选择电池的时候主要从以下几个方面考虑：充电性能、功率密度、电压、容量、内阻。综合考虑我们选择了镍氢电池，镍氢电池的类型比较多，电池和充电器的花费比较节省。其记忆效应远小于镍镉电池，功率密度也比较高。机器人本体上共用到11个12V直流电机。使用固定电压给直流电机供电可使机器人的动作及底盘运动保持相对恒定，故我们选择了集成稳压芯片7809，使充电电池输入的+12V转换成+9V供给各直流电机，保证了调试的方便、降低了表演出错率。系统一共用到两种电源，控制电路部分5V和电机的9V。本系统采用两块充电电池（充满电+13.7V）和一个四节南孚电池组成的电池盒（约+5.5V）供电，5V电压供单片机工作；从12V电源稳压得到9V供机器人本体中的各个直流电机工作。直流电机，集成驱动芯片，都会在电源总线上产生噪声，对此采用了在每个电机的输出端接上旁路电容来消除噪声。4 软件设计4.1 程序框图4.2 程序流程图图10 寻迹流程图图11 定位流程图图12 上身动作流程图4.3 程序思想4.3.1 底盘思想通过程序控制电机的正反转，即可控制机器人底盘的各种运动，包括原地左转右转、左转弯右转弯、前进、后退、刹车等运动状态。通过红外传感器对运动轨迹的检测，控制机器人底盘做相应的动作。底盘程序中加入了一种巧妙的算法，在寻迹的过程中检测节点数，当程序执行到寻迹模块，进入死循环，只有当检测到节点时才跳出死循环；并且在每一个节点出发处屏蔽节点计数器，使传感器能正常检测到下一个节点。4.3.2 上身思想 为了使机器人能够做出抬头，摇头，弯腰，舞蹈等动作，机器人的上身共用了9个直流电机。能实现9个自由度，基本上能表现出人基本的单间的动作。6 总结 经过全体队员的十多天的努力，我们的机器人从一个想法和概念变成了现实，并走上了舞台。在整个制作过程中，大部分电路都是我们自己手焊的，所以有时会因为某个元件的虚焊会使我们白白浪费很多的时间去找软件的错。在动作的调试过程中因为直流电机的累积误差和不能精确控制使得调试工作量变得非常大。有时一个动作要调上五，六个小时。在多人合作中由于有明确的分工，相互协作也变的尤为重要，软件离不开电路和机械的支持，电路和机械更是离不开软件来赋予它发挥更强大功用的能力。为了保证我们的工作顺手如意，从制作机器人一开始我们便通力协作，遇到问题和困难就一起动手，在解决问题的过程中提高了我们分析和解决问题的能力，也进一步认识到了电路，机械和程序之间密不可分的联系。由于没在意到电源供电的问题，最后出现了一件很麻烦的事：充电电池供电有限，调试过程中，经常可以看到在供电未变的情况下，已调好的动作变得又不精确。7 致谢首先要感谢是电子电气工程系对我们机器人竞赛的大力支持，系里支持才使得我们的许多工作能够顺利的进展。感谢谭老师的关爱、王敬生老师和储忠老师在整个制作过程的鼓励和指导。悬挂运动控制系统（E题）设计与总结报告摘要：本设计以单片机（C8051F005）作为悬挂运动控制系统的控制核心，整个系统由中央控制模块、键盘输入模块、跟踪检测模块、液晶显示模块、执行机构等部分组成，可实现悬挂物体的自行设定“M”形轨迹运动，直线运动，圆心任意设定，直径为50cm的圆周运动和轨迹跟踪运动等功能。控制系统接收用户设定参数并进行合法性检验，然后控制物体按要求运动，同时用画笔画出物体的运动轨迹。跟踪检测模块以光电传感器构成十字交叉型阵列，搜索标定的任意曲线，控制悬挂物体沿标定的任意曲线运动。执行机构由两台混合步进电机28BYJ48A和相关电机驱动电路组成，解决了电机运行的同步问题。大屏幕的液晶显示模块可清晰显示设定参数，实时显示物体所在位置的坐标值，并同步显示悬挂物体的运动轨迹。关键词：智能控制，轨迹跟踪，液晶显示屏（LCD），键盘A movement control system of a suspending objectAbstract: A system, which uses a micro-control unit (MCU) as its controlling unit, is designed for controlling movement of a suspending object in a pre-defined way, i.e. linear, circular or track-tracing. It is composed of a center control unit, a keyboard input unit, a track-tracing unit, a liquid crystal display unit and a performing unit. The control system after receiving users information judges first, and then controls the movement of the object according to requirements while painting the movement track. The track-tracing unit, consisting of five photoelectric transducers arranged cross-shaped, searches the pre-defined movement track of the object and controls the object to move along it. The performing unit is composed of two hybrid step motors (28BYJ48A) and motor-driving circuits, and it is used to deal with synchronization of running of the motors. The liquid crystal display unit is used to display the pre-defined parameters and the movement track of the object.Keywords: intellegent control track-tracing liquid crystal display keyboard1. 系统方案选择和论证1.1 设计要求1.1.1基本要求：（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； （2）控制物体在80cm*100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成；（3）控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成；（4）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）。1.1.2发挥部分（1）能够显示物体中画笔所在位置的坐标；（2）控制物体沿板上标出的任意曲线运动（见示意图），曲线在测试时现场标出，线宽1.5cm1.8 cm，总长度约50 cm，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约30 cm；后一部分是两段总长约20 cm的间断线段，间断距离不大于1 cm；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；（3）其他。1.2 系统基本方案根据题目要求，系统可规划为中央控制部分，轨迹跟踪部分、输入模块、执行机构、显示部分和供电部分。如图1.1所示：220V中央控制模块输入模块显示模块轨迹跟踪模块执行机构图1.1 系统的基本模块方框图电源模块 1.2.1 各模块方案选择与论证(1) 控制器模块中央控制器为整个系统的核心，通过接受外部信息，按照控制算法驱动执行机构。对中央处理器的选择多种多样，但我们熟练掌握8051系列单片机的控制原理和设计方法，所以我们选择C8051F005作为系统控制器。该单片机运算功能强，软件编程灵活，自由度大，并且其功耗低，体积小，技术成熟，完全适合在本系统中应用。 (2) 执行机构本系统中要求电动机步距角小，动态性能好，并能实现精确定位。方案1：直流电机。使用直流电机作为动力驱动。在电机上安置码盘和红外接收管或霍尔器件，通过计数器对接收到的脉冲进行计数，从而算出电机的转速和绳子改变的长度。但此种方法需要半闭环控制（即需要线位移反馈或速度反馈），结构复杂，计算困难。方案2：步进电机。反应式步进电动机（variable reluctance,简称VR） 反应式步进电动机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组，步距角可做得很小，但动态性能较差。永磁式步进电动机（permanent magnet,简称PM）永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好，转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。混合式步进电动机(hybrid,简称HB)混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小。所以我们选用混合式步进电动机。并选择与其适配的专用驱动集成芯片L297+L298，L297+L298集驱动和保护于一体，性能稳定，易调试，且使用方便。（3）输入模块方案1：键盘输入。采用优良的4*4行列矩阵式键盘，此方法操作简单，节省单片机资源，且价格便宜。方案2：触摸屏输入。通过触摸检测部件检测用户触摸位置，接受触摸信息后送触摸屏控制器，触摸屏控制器将它转换成触点坐标送给CPU，它同时接收CPU发来的命令并加以执行。此方法操作方便，简单，但价格昂贵。所以选择方案1。 （4）显示模块本模块将实现的功能是实时显示物体所在位置的坐标并同步显示物体的运动轨迹。方案1：采用传统的数码管显示。数码管具有低压、寿命长、耐老化、防潮，对环境要求低以及精确可靠、操作简单、易于维护等特点，但显示信息量小，只能显示坐标数值，无法显示运动轨迹。方案2：采用液晶显示屏（LCD）显示。液晶显示屏具有低耗电量，无辐射危险，以及影像不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。并能显示各种波形，菜单等，显示内容十分丰富。 基于以上分析，拟订方案2。（5）轨迹跟踪模块方案1：采用摄像头。利用图像提取技术或色素提取技术，根据摄像头拍摄到的图片决定下一步的运动方向。其优点是控制精确，但其对硬件和软件的要求都较高，处理起来困难。方案2：采用热探测器。热探测器是根据接收到红外辐射后温度变化，温度的变化引起电信号输出，且输出的电信号与温度的变化成比例的原理工作的。当红外线被黑线吸收时，温度会减小，电压变低，而红外线没有被吸收时，电压不变，单片机可以根据电压的变化来判断路面的状态。由于温度变化是因为吸收热辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系，即对红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界影响较大，抗干扰较弱。方案3：采用光电传感器。光电传感器接收红外辐射后，红外光子直接把材料的束缚态电子激发成传导电子，由此引起电信号输出，输出信号大小与所吸收的光子数成比例。且这些红外光子能量的大小（即红外光还必须满足一定的波长范围），必须满足一定的要求才能激发束缚电子，起激发作用。光电传感器吸收的光子必须满足一定的波长，否则不能被吸收，所以受外界影响比较小，抗干扰比较强。基于以上分析，拟订方案3。1.2.2 系统各模块的最终方案经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（1）控制器模块：采用单片机C8051F005控制。（2）执行机构：采用混合式步进电机和专用的驱动集成芯片L297+L298。（3）输入模块：采用4*4行列矩阵式键盘。（4）显示模块：采用点阵型液晶显示屏（LCD）WG320*240。（5）轨迹跟踪模块：采用红外光电传感器。系统的基本框图如图1.4所示。图1.4 系统的基本组成框图中央控制模块C8051F0054*4键盘LCD显示步进电机驱动电路轨迹跟踪模块步进电机及相关机械装置直流稳压电源2. 系统的设计与实现系统功能简述：（1）控制系统能够通过4*4键盘输入物体的运动形式，例如直线运动，圆周运动，自行设定轨迹运动和轨迹跟踪运动。可以任意设定坐标点参数，并进行输入数据合法性检验；（2）在规定时间内完成物体在80cm*100cm的范围内作自行设定的“M”形运动并能够在白板上画出物体的运动轨迹；（3）在规定的时间内完成悬挂物体作圆心任意设定，直径为50cm的圆周运动；（4）在规定的时间内完成悬挂物体作起点在原点，终点任意设定的直线运动；（5）能够通过大屏幕的液晶屏显示当前的运动形式以及与其相关的特定参数，实时显示物体中画笔所在位置的坐标值，并同步显示物体的运动轨迹；（6）在规定的时间内实现轨迹跟踪的功能。轨迹为任意设定的黑色轨迹，分为连续部分和间断部分。2.1 系统的硬件组成部分本题是一个光、机、电一体的综合设计，在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。系统可分为传感器检测部分，智能控制部分，LCD显示部分和供电部分。传感器检测部分：系统利用光电传感器将检测到的外部信息（例如轨迹情况）转化为可被控制器件辨认的电信号。轨迹跟踪模块即属于这一部分。智能控制部分：系统中控制器件根据传感器变换输出的电信号进行逻辑判断和计算，控制电机动作，完成悬挂物体的轨迹跟踪运动。同时还可根据键盘的输入参数，控制悬挂物体作相应的轨迹运动。LCD显示部分：液晶显示屏（LCD）显示当前的运动形式以及与其相关的设定参数，实时显示物体所在位置的坐标值，并同步显示物体的运动轨迹。供电部分：为系统各个单元提供正常稳定的工作电压。2.2主要单元电路设计2.2.1 智能控制部分的单元电路设计（1） 中央控制模块电路的设计单片机的最小系统及外围电路具体如图2.1所示。单片机C8051F005接收键盘的输入和轨迹跟踪模块的信息，并将输入信号进行运算处理，以控制脉冲的形式来控制电机动作，从而完成各项任务要求。为了方便单片机引脚的使用，我们将单片机的所有引脚用接口引出。其中： 键盘接口：P2口；电机接口：左边电机脉冲输入端：P0.6，方向控制端：P0.7；右边电机脉冲输入端：P3.6，方向控制端：P3.7；液晶显示屏接口：A0、WR、RD、CS、RST：P3.0P3.4； 数据线DB0DB7：P1口； 轨迹跟踪模块的输入接口：红外光电传感器的输出接口根据传感器的位置从上到左按逆时针分别接P0.0P0.4。 光指示二极管接口：P3.5图2.1 C8051F005的最小系统及外围电路（2）电机模块 电机的选择：本系统是一个电机控制系统，所以电机的选择至关重要。现对悬挂物体进行受力分析， 15cmmgF1F212图2.2 物体的受力分析如图2.2所示：F1sin1 = F2sin2F1cos1 + F2cos2 = mg其中：根据白板尺寸, 张角max=arctg(115/15)82.5min=arctg(15/115)7.4所以，7.4182.5；7.4282.5。由于是定滑轮两边受力相同，所以绳子对物体的拉力等于绕线轮对绳子的拉力，则算出绳子的最大拉力就可以得到拉力对绕线轮的最大转矩。根据上述数学公式求得拉力的极值，F11.9mg。取F1=2mg，电动机上的绕线轮直径为4.9cm，则半径r=2.45 cm悬挂物对绕线轮的转矩：Tn=F1r=20.1kg9.8N/kg0.0245m=48mN.m即所选电机扭矩为48mN.m对照电机手册，我们选择了混合式步进电机28BYJ48A，洛社微特电机厂。供电电压：直流电压12V电压供电。脉冲步长：绕线轮周长为4.9cm，发2050个脉冲，电机转动一圈。脉冲步长= 4.92050=0.0075cm。（3）电机驱动模块的设计与实现28BYJ48A型步进电机有与其配套的专用驱动芯片L297+L298，具体电路如图2.3所示。 L298的2、3、13和14脚分别接四相步进电机的 A相，B相，C相和D相 ； L297的17脚（cw/ccw）为转向控制端。高电平，电机顺时针转动，低电平，电机逆时针转动； L297的18脚（clk）为脉冲输入端。每接收一个脉冲，步进电机前进一步； L297的19脚(half/full) 为模式控制端。高电平为单步工作方式，低电平为双步工作方式，单步工作的步距角为双步的两倍； L297的15脚（Vref）控制负载的最大电流； 其他控制管脚接有效电平。工作过程：电机上5根接线分别接L298的A、B、C、D四相和COM端，当L297的clock端接收到一个脉冲，电机根据cw/ccw端的电平，顺时针或者逆时针运动一步，步长为0.0075cm。图2.3电机的专用驱动电路（4）键盘模块键盘上设有：数字键：数字09，用于输入X轴坐标，Y轴坐标和圆心坐标等数值。功能键：X轴坐标值与Y轴坐标值之间的分隔符，确认键，清除键，自行设定轨迹运动的标志键，圆周运动的标志键和轨迹跟踪标志键。设定直线运动的终点坐标时，分隔符之前的值表示X坐标值，范围为080cm；分隔符之后的值表示Y坐标值，范围为0100 cm。若作圆周运动，先按下圆周运动标志键，圆心坐标可以任意设定，设定过程与直线的终点坐标设定相同。按下自行设定轨迹运动的标志键后，物体即可按照预先设定的“M”形轨迹运动。确认键按下后程序开始执行。清除键可以用来重新设置运动形式或坐标参数。整个键盘操作界面十分友好。（5）显示模块 采用LCD显示悬挂物体运动的相关内容，设计中选择SED1335，其特点如下： 有较强功能的I/O缓冲器； 指令功能丰富； 四位数据并行发送，最大驱动能力为640256点阵； 图形和文本方式混合显示。接口电路如图2.4所示：a. DB0-DB7：三态，数据总线，可直接挂在MCU数据总线上； bCS：输入，片选信号、低电平有效。当MCU访问SED1335时，将其置低； c A0：输入，I/O缓冲器选择信号，A0=1写指令代码和读数据，A0=0时写数据参数和读忙标志； dRD：输入，读操作信号； eWR：输入，写操作信号；fRES：输入，复位信号，低有效，当重新启动SED1335时也需用指令SYSTEMSET。整个屏幕的最下方显示“悬挂运动控制系统”字样。左半边同步显示物体的运动轨迹，右上方根据键盘的输入情况显示物体的运动形式以及相关参数，右下方实时显示物体所在位置坐标值。例如作直线运动时，右上方会显示“直线”字样，“直线”字样下方显示用户设定的直线运动终点坐标，右下方实时显示物体所在位置的坐标值；左半边同步显示直线运动的运动轨迹。作圆周运动时，右上方会显示“圆”的字样，字样下方显示圆心坐标和半径，右下方实时显示物体所在位置的坐标值；左半边同步显示圆周运动的运动轨迹。其他运动时显示界面基本相同，此显示界面清晰、明了、美观、大方。图2.4 液晶与单片机接口2.2.2 检测部分的单元电路设计轨迹跟踪模块 根据题目要求，悬挂物体能沿着黑色轨迹运动。为了使物体能在特定的黑色轨迹上运动，系统需要将轨迹的状态及时的以电信号的形式反馈到控制部分，控制部分控制电机相应的动作，使物体一直沿着黑色轨迹运动。图2.5为红外光电传感器具体的电路图。传感器工作过程如下：红外发光二极管导通，发出红外光，经反射物体反射到接收管上，接收管导通，比较器LM324的正向输入端电压低于反向输入端电压，比较器输出为低电平；当红外光照射到黑色胶带时，反射到接收管上的光量减少，接收管处于截止状态，则比较器的正向输入端电压高于反向输入端电压，输出为高电平。由于光电传感器受外界的影响较大，容易引起单片机误判，因此在电路中加入了一个电位器（阻值为300K），调整电位器的阻值即可改变接收管的灵敏度，10K电阻可调节比较器的反向输入端电压。图2.5 红外发射接收电路图跟踪原理：（1）线宽的选择：题目要求轨迹的宽度为1.5 cm1.8cm，我们选定宽为1.7 cm的黑色电工胶带，符合要求。（2）传感器的安装：传感器的安装对轨迹状态的检测有至关重要的影响。安装时应该让传感器检测到的状态正确反应黑色轨迹的状态，从而正确判断下一步的走向，使物体能沿着黑色轨迹正确运动。如图2.6所示，物体上安装五个红外传感器，成上、下、左、右和正中的十字交叉形阵列，实现轨迹跟踪运动功能。白色小框表示发射管，黑色小框表示接收管。分别假定上方传感器为a，右方传感器为b，下方传感器为c，左方传感器为d，正中间传感器为e。其中：为了不使五个传感器同时检测到轨迹（当五个传感器同时检测到轨迹时无法判断下一步的方向），故四周的传感器到中心位置的传感器的距离应大于轨迹宽度的1/2，即n1.7/2cm，同时n的值又不能大于轨迹宽度（大于轨迹宽度容易丢失轨迹，也导致无法判断），即n1.7cm，又因为传感器自身长度为0.4 cm，所以我们选择a，b，c，d四个传感器与e传感器发射管之间的距离为1.5 cm。另外我们还做了两套传感器，四周传感器a,b,c,d与e传感器之间的距离分别为0.8 cm和1.7 cm，经过反复实验，证明四周传感器与中心传感器之间的距离为1.5 cm的传感器阵列检测效果最好，是检测轨迹状态的最佳选择。 abcde图2.6传感器阵列（3） 跟踪思想：单片机接收传感器检测的输出信号数据，来控制悬挂物体沿给定轨迹运动。根据+Y走向（向上运动）和-Y走向（向下运动）不可能同时有效，+X走向（向右运动）和-X走向（向左运动）也不可能同时有效，但 +Y和-X，+Y和+X，-Y和-X，-Y和+X走向可以同时有效的思想，来实现全方位轨迹跟踪的。 设定运动方向标志位设定向上标志位为bitup，向下标志位为bitdown，向左标志位为bitleft，向右标志位为bitright。标志位为“1”表示相应运动方向有效，为“0”表示相应运动方向无效。bitup和bitdown，bitleft和bitright不能同时有效，最先检测到黑色轨迹传感器则设定该方向的运动方向标志位为“1”，当中心传感器e脱离了轨迹，并且该方向的方向传感器也为无效时，清除该方向的运动标志位。 判断规则：a.连续轨迹判定：将传感器探头放在轨迹开始位置，保证中心传感器和一方向传感器在轨迹上。开始跟踪，系统检测五只传感器的状态，根据上述方法设置bitup和 bitdown，bitleft和bitright方向标志，然后沿该方向运动一步（物体运动一步是指物体移动0.1cm，以下相同），同时再检测该方向的方向传感器，是否仍然为有效，若有效将继续沿该方向运动一步，再检测e传感器，若中心传感器e的检测状态为0，判断方向传感器的检测状态也为0时，原方向退回二步（因为轨迹的宽度为1.7, 传感器之间的距离为1.5 cm），并清除该方向标志位。否则，继续上述过程。 b.间断轨迹判定：当中心传感器e状态为“0”，而某一方向传感器的状态为“1”时，说明物体正处在间断轨迹上，这时继续向此方向走动12步（1.2 cm，大于间断曲线之间的距离1 cm），若中心传感器的检测状态为“1”则根据上述方法判定轨迹形态，继续跟踪；若不能检测到任何状态，当所有方向传感器都检测不到任何有效信息时，判断轨迹跟踪结束。2.2.3 供电部分的设计电源模块电源模块的电路图如图2.7所示：系统通电后，交流电压220V经过变压器变换成交流电压14V，经过整流，滤波，可调式三端稳压器LM317和三端稳压器7805分别得到12V和 5V的稳定电压。LM317系列稳压器能在输出电压为1.2537V的范围内连续可调，其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A。输出电压Uo的表达式为： Uo=1.25（1+RP1/R1）式中，R1=100，输出端与调整端压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V），Uo=12V,RP1=(12/1.25-1)*R1=860,取RP1为一个5.1K的电位器。 图2.7系统电源电路图3.软件设计系统的软件设计采用高级语言，C语言编写的，对单片机编程实现各项功能，程序是在Windows 2000环境下采用 Keil uVision 2软件编写的，可以实现单片机对红外传感器的查询、电机方向的确定等功能。电动机电动机L1 L2图3.1 整体框架原点80cm15 cm15cm15cm100cm 15cm 如图3.1所示，建立数学模型： L1= L2= (0=x=80cm;0=y=x0&y1=y0Fmx0&y1y0x1y0x1x0&y1y0x0+=1Fm=0Fm=0Fm=0?-Y走步+X走步F=F-2Y+1Y=Y-1F=F+2X+1X=X+1到终点?结束图3.7 圆弧的插补流程图YNN 方法2：圆周上取点。把圆划分成若干个点组成，再按顺序把点连接起来，即可获得圆周的轨迹，取的点越多，物体的运动轨迹越接近圆。如下图所示， 我们以8个点进行讲述： 假设物体的半径为r0，圆心坐标为(x0,y0)， 物体逆时针画圆, 并设A点为起始点，则物体可按逆时针从A点运动到B点 ABH C GDFE计算公式如下：A(x0,y0+r0)： L1(A)= L2(A)= 对于B点: L1(B)= L2(B)= 从上式可得到两点之间的距离差,即可换算成脉冲数和电机运转方向,其余点雷同。所有计算均可按照通式: L1()= L2()= 来进行。 为了减小误差必须增加所取点数，这样计算将非常复杂，不宜采用。基于上述分析，采用逐点比较法来实现圆周运动。根据顺圆，逆圆和所处位置不同来考虑。 (x0,y0)R0 Y X 我们所画的是顺圆，逆圆流程图与其相似，只是X，Y方向的动作有所区别。图中：(x0,y0)为圆心坐标，区坐标点范围为x0xx0+r,y0-ryy0； 区的坐标点范围为x0xx0+r，y0yy0+r； 区的坐标点范围为x0-rxx0,y0yy0+r； 区的坐标点范围为x0-rxx0,y0-ry=0I区II区III区IV区Fm=0Fm=0Fm=0到终点Xq-=1Yq-=1Xq+=1Xq+=1Yq+=1Yq-=1Yq+=1Xq-=1初始化（X0，Y0，r，Xq，Yq，Xz，Yz）YNYNYYNNYNYYNYNN图3.8 圆的流程图3.4 轨迹跟踪子程序根据跟踪思想，子程序框图如图3.9所示：初始化根据总体运动方向和传感器状态判断走向物体总体运动方向的判断向相应的方向走一步（0.1Cm）到断点根据总体运动方向和传感器状态判断走向向相应的方向走十二步（1.2Cm）寻迹结束+- 结束YNYN 图3.9 轨迹跟踪子程序3.5 其他子程序键盘子程序：任意设定坐标点参数，并能对输入数据的合法性进行校验。液晶显示子程序：实时显示物体所在位置坐标值并同步显示物体的运动轨迹。光指示子程序：按下确认键物体开始运动，点亮发光二极管；物体停止运动时，熄灭发光二极管。4.系统测试为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统进行了实际的测试。4.1测试仪器设备测试使用的仪器设备如表4.1所示：表4.1 仪器设备序号名称,型号,规格数量备注1数字示波器1Tektronix TDS2012泰克科技（中国）有限公司2秒表精度0.01s1上海秒表厂3软尺最大测量距离200cm,最小量程0.1cm1河南虞城华星量具有限公司4数字万用表1优利得有限公司 4.2 测试方法和结果（1）键盘输入测试方法：手动任意设定坐标点参数。测试结果：键盘输入情况如表4.2所示，单位：cm表4.2 键盘输入的测试第一次第二次第三次第四次第五次输入值x =12，y =25x =75，y =63x =90，y =25x =20，y =90x =20，y =105显示值x =12，y =25x =75，y =63Error!x =20，y =90Error!（2） 自行设定轨迹运动我们选定的轨迹为“M”字样的轨迹。 测试方法：执行时间T：前面已经提及，当确认键按下后，物体开始按要求运动，发光二极管被点亮，点亮瞬间开始计时，物体停止运动时发光二极管熄灭，熄灭瞬间停止计时。则此种运动的执行时间T = 二极管的点亮时间；测试结果：预设轨迹运动测试情况如表4.3所示：表4.3自行设定轨迹运动的测试第一次第