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1、悬挂运动控制系统（悬挂运动控制系统（E E题）题）（20052005年全国大学生电子设计竞赛年全国大学生电子设计竞赛E E题题）怀化学院物信系怀化学院物信系 李晓帆李晓帆 2013-07-262013-07-26怀化学院怀化学院大学生电子设计竞赛系列讲座大学生电子设计竞赛系列讲座3/2/20231悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）一、任务设计一电机控制系统，控制物体在设计一电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角倾斜（仰角100100度）的板上运动。度）的板上运动。在一白色底板上固定两个滑轮，两在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定
2、在板上）通过穿过滑只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为运动范围为80cm80cm100cm100cm。物体的。物体的形状不限，质量大于形状不限，质量大于100100克。物体克。物体上固定有浅色画笔，以便运动时能上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。板上标有间在板上画出运动轨迹。板上标有间距为距为1cm1cm的浅色坐标线（不同于画的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点笔颜色），左下角为直角坐标原点,示意图如下。示意图如下。悬挂运动控制系统悬挂运动控制系统 3/2/20232悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大
3、学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）二、要求1.1.基本要求基本要求（1 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；）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 2）控制物体在）控制物体在80cm80cm100cm100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于长度不小于100cm100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300300秒秒内完成；内完成；（3 3）控制物体作圆心可任意设定、直径为）控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm50cm的圆周运动，
4、限的圆周运动，限300300秒秒内完成；内完成；（4 4）物体从左下角坐标原点出发，在）物体从左下角坐标原点出发，在150150秒内到达设定的一个坐标点秒内到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于两点间直线距离不小于40cm)40cm)。3/2/20233悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）2、发挥部分（1 1）能够显示物体中画笔所在位置的坐标；）能够显示物体中画笔所在位置的坐标；（2 2）控制物体沿板上标出的任意曲线运动）控制物体沿板上标出的任意曲线运动(见示意图见示意图)，曲线在测试时现，曲线在测试时现场标出，线宽场标出，线宽
5、1.5cm1.5cm1.8cm1.8cm，总长度约，总长度约50cm50cm，颜色为黑色；曲线的前一部，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约分是连续的，长约30cm30cm；后一部分是两段总长约；后一部分是两段总长约20cm20cm的间断线段，间断的间断线段，间断距离不大于距离不大于1cm1cm；沿连续曲线运动限定在；沿连续曲线运动限定在200200秒内完成，沿间断曲线运动秒内完成，沿间断曲线运动限定在限定在300300秒内完成；秒内完成；（3 3）其他。）其他。3/2/20234悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）三、评分标准
6、 项目满分基本要求设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。50实际制作完成情况50发挥部分完成第(1)项10完成第(2)项中连续线段运动14完成第(2)项中断续线段运动16其他103/2/20235悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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
7、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。3/2/20236悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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。3/2/20237悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E
8、题）参考方案（参考方案（全国大学生电子设计大赛系统设计全国大学生电子设计大赛系统设计黄智伟黄智伟编著，北京航空航天大学出版社）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3/2/20238悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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，F
9、PGA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。3/2/20239悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全
10、国大学生电子设计竞赛E题）以FPGA核心的控制系统方框图3/2/202310悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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 3/2/202311悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计
11、竞赛E题）单片机控制系统方框图3/2/202312悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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。3/2/
12、202313悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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。3/2/202314悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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。3/2/202315悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列
13、培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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。3/2/202316悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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。3/2/202317悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系
14、列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）光电传感器检测的原理框图3/2/202318悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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。3/2/202319悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）采用TIP142T实现步进电机驱动的原理框图3/2/202320悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞
15、赛E题）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3/2/202321悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）系统的基本框图3/2/202322悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）循迹电路设计 根据设计任务，悬挂物体要
16、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。3/2/202323悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）循迹电路3/2/202324悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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
17、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。3/2/202325悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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。3/2/202326悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）单片机将P1.2、
18、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控制表输入功能Ven=HC=H;D=L正转C=L;D=H反转C=D制动Ven=LC=D=停止3/2/202327悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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
19、P0.4P0.7连接键盘的行信号L4L1。3/2/202328悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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。3/2/202329悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）原理框图3/2/202330悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202331悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列
20、培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）4444键盘功能图键盘功能图 3/2/202332悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）主程序 3/2/202333悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202334悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202335悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）系统硬件连接图 3/2/202336悬挂运动控
21、制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）电源模块 3/2/202337悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）单片机最小系统电路图 3/2/202338悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）L298N电机驱动板模块 3/2/202339悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）日本美培亚MINEBEA步进电机马达FK2-0377 17PU-H502-P4VS 3/2/2023
22、40悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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2000rpm2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 3/2/202341悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202342悬挂运动控制系统（E题）怀
23、化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）步进电机的选择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
24、。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）3/2/202343悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）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
25、换算如下：P=M=2n/60P=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)3/2/202344悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202345悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202346悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202347悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大
26、学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202348悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202349悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202350悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202351悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202352悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设
27、计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202353悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202354悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202355悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202356悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202357悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列
28、培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202358悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202359悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202360悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202361悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202362悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（20
29、05年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202363悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202364悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202365悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202366悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202367悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202368悬挂运动控制系统（E题）怀化学院大学生电子设计竞赛系列培训（2005年全国大学生电子设计竞赛E题）3/2/202369谢谢！3/2/202370