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悬挂运动控制系统

任务

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。

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80cm×100cm。物体的形状不限，质量大于100克。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, 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，运动轨迹长度不小于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)。 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1.5cm～1.8cm，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； （3） 其他

方案论证

采用SPCE061A单片机来实现，此单片机内置8路10位ADC和2路DAC，避免了外接A/D转换芯片和D/A转换芯片，并且I/O接口比较多，易于扩展外围电路，开发板集成了语音播报的硬件，通过软件编程即可以用于语音采集和播报。集成开发环境中配有很多语音API函数，实现语音播放比较简单，另外方便的是该芯片内置在线仿真，编程接口，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。

通过红外传感器来实现，通过安装在所悬挂物体上的红外对管，检测在运动平面上用黑色笔所画的黑色曲线（或黑色胶布），由于黑色吸收发射管所发出的红外线，使接收管接收不到信号，系统通过接收管是否接收到发射管发出的测试信号，通过判断，用于控制步进电机的运动，实现起来简单易行。

：如果控制器采用凌阳16位单片机SPCE061A，SPCE061A开发板自身集成有语音模块，不需要外围扩展，而且由于其集成开发环境自带的语音API函数库，可以减少开发难度和复杂度。

详细软硬件设计

经过上述的分析和论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下： (1) 控制模块： 采用SPCE061A 16位单片机；

(2) 曲线跟踪模块： 采用红外传感器构成曲线跟踪模块； (3) 键盘模块： 采用315MHz无线键盘和编解码芯片； (4) 显示模块： 采用LCD构成显示模块；

(5) 电机驱动模块： 采用2相的步进电机实现；

(6) 语音播报模块： 采用SPCE061A 16位单片机自带的语音模块； (7) 电源模块： 采用过滤，滤波，稳压等电路实现。

1、硬件设计

（1）无线键盘单元的电路的设计

a） 发射模块

编码部分采用PT2262芯片，输入是4路独立的二进制信号，可以用一个16－4编码电路扩展，组成16路的控制信号做为输入；发射电路采用现在市场上用OOK实现的315M无线电发射模块。

b） 接收模块

接收部分也是采用现成的模块，完成OOK的315M信号的接收，该模块只需将电源和地接好，自己焊上天线，RES端就能完成将接受到的315M频率的OOK调制信号解调的功能，输出基带信号。接收信号输入PT2272完成解码。 （2）红外传感模块的设计

采用了8对红外发射接收对管，分布成圆形，其中每个对管分别表示物体的上、下、左、右、左上、右上、左下、右下方位置，实现对曲线信息的跟踪。 （3）LCD显示模块的单元电路的设计

（4）步进电机模块的单元电路的设计

通过驱动电路控制两相步进电机的正转和反转，实现物体的上升和下降以及步进。本设计中采用两相步进电机57BYG250，可以实现0.9度步进，易于控制其精度。驱动电路采用HB202M模块，其原理为：驱动模块可以采用12V~36V供电，CP端用于控制电机的步进，CP的上升沿信号使电机步进0.9度；CW端用于控制电机的转动方向，输入高电平正向转动，低电平反向转动；FREE端用于控制电机的锁定转矩，高电平电机不能保持锁定状态，低电平可以使电机停止转动。

（5）智能控制部分的单元电路的设计

采用以凌阳SPCE061为核心的单片机系统——SPCE061A精简开发板，利用其端口控制和中断能力，实现人机交互，控制对物体所作运动的设定和画出物体运动轨迹，同时控制实现LCD实时显示此时显示画笔所在的坐标值、自动跟踪任意曲线运动、语音播报是否完成任务等功能。

（6）语音模块电路的设计

由于SPCE061A精简开发板上已经集成语音录入和播放模块，而且集成开发环境下提供了语音函数库，使用起来方便易行，本系统直接采用该开发板的语音功能就可以了。 （7）电源模块的设计

由于电子电路在多数情况下都需要用直流电源供电，而电力部门所提供的是50Hz的交流市电，所以需要把交流电经过整流，变成单向脉冲电流，通过滤波器去除脉动成分，变成需要的直流电源后，才可以使用。为了保证电子电路的稳定可靠的工作，还需要对直流电源实施采取稳压措施。电源模块的电路图如图

2、软件设计

总的工程程序包括初始化程序、无线键盘查询程序、步进电机控制程序等部分。

（2）初始化程序流程

初始化的I/O口包括LCD所用端口、无线键盘输入端口、红外位置传感器输入端口和电机驱动输出端口；初始化状态变量包括驱动任务、当前位置坐标等；允许IRQ4中断，是因为在此中断中进行电机任务处理

（3）步进马达控制流程（Divide & Conquer）

系统采用Divide & Conquer的策略，将任意的复杂运动分解为折线运动，设计的控制系统实际上是完成一个一个的直线运动，再用相应的合成方式组合成任意的复杂运动。对于直线运动，又将其分解最小直线单位运动，由X轴方向和Y轴方向运动的合成。综合下选择步进基本单位为0.5毫米。

在用最小直线单位运动组成一条长直线运动时，采用追击的算法，即每完成一个最小直线单位运动，重新计算当前到达点和目标点的斜率，在当前点的实际坐标基础上向目标点做最小直线单位运动移动，这样的好处是不会累计误差，同时能平滑锯齿现象。

对于圆之类的图形，先用几何的方法分解为一条一条直线，存入任务列队中，然后用上述算法逐条实现即可。

（4）无线键盘查询流程

无线键盘的工作原理在前面已经介绍，只要接收到键值相应电平就会置高，数据位变为接受到数据的编码，这时单片机根据编码数据就可以判断是哪个按键；

自行运动情况测试

（1）测试仪器 秒表，直尺，坐标纸。 （2）测试方法和步骤

由于系统具有根据设定自由运动的功能，通过设定悬挂物体所要经过的点，然后对比设定值和悬挂体实际所到点的坐标值，分析系统相应误差，同时由秒表记录完成相应运动所需的时间，完成相应的记录。

（2） 测试数据记录

X坐标的平均误差为：（0+0.7+0.4+0.1+0.5+0.6+0.2+0.2+0.1）/9＝0.31cm Y坐标的平均误差为：（0.2+0.2+0+1+2.5+0+0.7+0+0.1）/9＝0.52cm