2019/4/27,1,2019/4/27,2,一、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80cm100cm。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, 示意图如下。,悬挂运动控制系统,2019/4/27,3,二、要求,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80cm100cm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)。,2019/4/27,4,2、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1.5cm1.8cm，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。,2019/4/27,5,三、评分标准,2019/4/27,6,四、说明,1、物体的运动轨迹以画笔画出的痕迹为准，应尽量使物体运动轨迹与预期轨迹吻合，同时尽量缩短运动时间； 2、若在某项测试中运动超过限定的时间，该项目不得分； 3、运动轨迹与预期轨迹之间的偏差超过4cm时，该项目不得分； 4、在基本要求(3)、(4)和发挥部分(2)中，物体开始运动前，允许手动将物体定位；开始运动后，不能再人为干预物体运动； 5、竞赛结束时，控制系统封存上交赛区组委会，测试用板(板上含空白坐标纸) 测试时自带。,2019/4/27,7,题目分析,对题目进行综合分析，进一步了解本题的主要任务、功能。 一、任务 设计制作一个运动控制系统（绘图仪），实现绘图和巡线运动等功能 二、系统功能 系统可划分为控制部分和信号检测部分。,2019/4/27,8,参考方案（全国大学生电子设计大赛系统设计黄智伟编著，北京航空航天大学出版社）,悬挂运动控制系统设计方案 控制部分：电动机A和电动机B的驱动模块、坐标参数显示模块、控制器模块、按键输入模块。 信号检测部分：黑线检测模块,2019/4/27,9,控制器模块,控制器模块主要实现各个传感器信号的接收、控制物体的运动、控制显示画笔所在的位置的坐标和运动时间，以及物体在停止时发出的光电报警等。 控制器模块的方案一： 采用采用FPGA为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步进电机运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。,2019/4/27,10,以FPGA核心的控制系统方框图,2019/4/27,11,控制器模块的方案二,采用AT89S51作为系统控制的方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用AT89S51处理输入的数据并控制电机运动。 采用方案二,2019/4/27,12,单片机控制系统方框图,2019/4/27,13,驱动电机选择,方案一：采用直流电机。直流电机具有优良的调速特性，主要表现在调速方便（可无级调速）、调速范围宽、低速性能好（起动转矩大、起动电流小）、运行平稳、噪音低、效率高等方面。 方案二：采用步进电机。将电脉冲信号转变为角位移或线位移，步进电机具有控制简单、定位精确、无积累误差等优点。在运行时噪音大、高速扭矩小、启动频率低、价格较高。步进电机具有快速起停能力，转换精度高，驱动电路简单，非常适合定位控制系统。 基于上述比较，步进电机作为传动装置。,2019/4/27,14,电机的型号,负载为100g，最大有功力矩为0.0221N.m。 选用型号为17PU-HO12-G1UT的两相混合式步进电机，完全可以达到转矩的要求。,2019/4/27,15,按键输入模块,需要设置0-9数字键盘、小数点和一些功能键，以完成控制系统能够任意设定坐标参数的功能。 采用44矩阵键盘。单片机与键盘连接简单，程序编写容易。,2019/4/27,16,显示模块,LCD（液晶显示屏）具有功耗低，无辐射危险，平面直角显示、影像稳定，可视面积大，画面效果好，可显示图形和汉字，分辨率高，抗干扰能力强，显示内容多等特点。 采用液晶显示器，型号为RT12864-M。,2019/4/27,17,黑线模块,利用光电传感器辨认黑线。 根据光敏三极管检测反射光的强弱来判断黑白线。 可使用一个反射光源和一个光敏三极管和简单的放大电路。 实现成本低，灵敏度可调节，可靠性高。,2019/4/27,18,光电传感器检测的原理框图,2019/4/27,19,步进电机驱动模块,采用硅材料互补达林顿晶体管TIP142T实现步进电机的驱动。 电路简单，抗干扰能力强，驱动电路与单片机接口可通过光耦元件连接。,2019/4/27,20,采用TIP142T实现步进电机驱动的原理框图,2019/4/27,21,系统组成,控制模块:采用AT89S52单片机控制； 电机选择模块： 采用17PU-HO12-G1UT的两相混合式步进电机； 键盘模块：采用44矩阵键盘； 显示模块：采用液晶显示器，型号为RT12864-M； 黑线检测模块：采用反射式光电传感器； 电机驱动模块：采用硅材料互补达林顿晶体管TIP142T实现步进电机的驱动,2019/4/27,22,系统的基本框图,2019/4/27,23,循迹电路设计,根据设计任务，悬挂物体要沿着黑线运行，采用反射式光电传感器进行探测。光电传感器的硬件设计如图所示。电压比较器LM393的同相输入in拉低，输出为低电平。当检测到黑线时，接收管截止，同相输入in为高，比较器输出为高电平。本系统中四个传感器的OUT分别连接P1.0P1.3。,2019/4/27,24,循迹电路,2019/4/27,25,电源部分电路设计,本系统中使用了直流12V电机，其额定工作电压为12V，而单片机额定工作电压为5V，所以电路中采用了7805和7812作为稳压模块，其最大输出电流为1.5A，满足系统电机驱动电流的要求，其电路。,2019/4/27,26,电机控制模块设计,本系统由单片机直接产生PWM信号，当单片机接受到相应的检测信号时，单片机转到中断口处理信息，PWM信号处于停发状态。将单片机产生的PWM信号经光电隔离器耦合后，控制L298驱动芯片来控制电机的正反转、启动、制动。原理图如图所示。,2019/4/27,27,单片机将P1.2、P1.5作为输出控制使能端,P1.2、P1.6作为电机一的控制端,P1.3、P1.5作为电机二的控制端。L298的两个控制端（C、D）的工作情况由表1列出（Ven为使能端）。,表 L298控制表,2019/4/27,28,44键盘电路原理图,根据设计需求，本系统中使用了标准的44键盘，其电路原理图如图所示。图中C1C4为44键盘的列信号，L1L4为44键盘的行信号。在本系统中，用P0.0P0.3连接键盘的列信号C4C1；用P0.4P0.7连接键盘的行信号L4L1。,2019/4/27,29,显示模块设计,显示部分电路由MAX7219、数码管组成。采用6个LED管进行X轴坐标显示、Y轴坐标显示。其电路图如图所示。,2019/4/27,30,原理框图,2019/4/27,31,2019/4/27,32,44键盘功能图,2019/4/27,33,主程序,2019/4/27,34,2019/4/27,35,2019/4/27,36,系统硬件连接图,2019/4/27,37,电源模块,2019/4/27,38,单片机最小系统电路图,2019/4/27,39,L298N电机驱动板模块,2019/4/27,40,日本美培亚MINEBEA步进电机马达FK2-0377 17PU-H502-P4VS,2019/4/27,41,进口MINEBEA MOTOR 17PS-M011-01V 2相4线42步进电机,步距角：3.6（100步/周），电压12V,电流0.3A，电阻40欧，静力矩：2000 g*cm (0.2 N*M)，空载转速可达到2000rpm 2相4线步进电机，尺寸42*42毫米，高度30毫米，轴突出部分长12毫米，轴直径约3毫米。引线长约16厘米,2019/4/27,42,2019/4/27,43,步进电机的选择,步进电机有步距角（相数）、静转矩、及电流三大要素组成。 1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。 2、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）,2019/4/27,44,3、电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 4、力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作） 其中f为每秒脉冲数（简称PPS),2019/4/27,45,2019/4/27,46,2019/4/27,47,2019/4/27,48,2019/4/27,49,2019/4/27,50,2019/4/27,51,2019/4/27,52,2019/4/27,53,2019/4/27,54,2019/4/27,55,2019/4/27,56,2019/4/27,57,2019/4/27,58,2019/4/27,59,2019/4/27,60,2019/4/27,61,2019/4/27,62,2019/4/27,63,2019/4/27,64,2019/4/27,65,2019/4/27,66,2019/4/27,67,2019/4/27,68,2019/4/27,69,谢谢！,