機(jī)器人設(shè)計論文

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1、科大RoboShow邀請賽 1 創(chuàng)意： 1.1 創(chuàng)意背景： 我們的創(chuàng)意來自于目前全世界都面臨的一個生存危機(jī)問題——水資源的匱乏。椐統(tǒng)計： 人類擁有的水資源：自然界中的水（覆蓋地球表面約71%）海洋水約占96.5%淡水資源約占全球總水量的2.53%，其中可利用的淡水資源只有30.4%，占總水量不到1%，所以世界上有許多國家和地區(qū)存在著缺水危機(jī)。 我國的水資源狀況： 我國的水資源并不富裕，居世界第六位。人均水量約為世界人均水量的四分之一，許多地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)水資源短缺影響人民生活，制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的局面，此外許多地區(qū)和企業(yè)浪費(fèi)水資源，使水資源受到的污染也

2、很嚴(yán)重，應(yīng)與于重視。 基于以上現(xiàn)況，我們設(shè)計如下場景：一天,（機(jī)器人）小女孩“毛毛”在放學(xué)回家的路上，看見一株因缺水而枯萎的小花，善良的毛毛不想讓這株可憐的小花這樣的死去，于是為了救這一株小花而到處去找水，但是她所看到的卻是干涸的河床、枯黃的野草，最終沒有找到一滴水，于是她無奈地回到了小花的跟前，眼看著奄奄一息的花兒，自己卻無能為力，就傷心地哭了，淚水落到了花的身上。突然，奇跡出現(xiàn)了，小花因小女孩的淚水而神奇的復(fù)活了，小女孩見到此情此景時，轉(zhuǎn)悲為喜，以一段歡快的舞蹈表達(dá)小女孩此時此刻的愉快心情。最后用一段發(fā)人深思的告白結(jié)束全場的表演。 1.2 構(gòu)思過程 經(jīng)過多次征求意見，組內(nèi)討論

3、，我們設(shè)計的故事情節(jié)如下：（舞臺布景：陽光，小路，干涸的河床，干枯的野草野花等等） 傍晚，陽光依然沒有半點(diǎn)退卻的意思。當(dāng)下課鈴響時，毛毛如往常一樣高高興興地回家。就在回家的路上，偶然在路邊看見一株已經(jīng)凋零的小花。 善良的毛毛不忍心讓它就這樣無聲無息的死去。與是毛毛轉(zhuǎn)身去找水來就活小花，但是找來找去都沒有找到一滴水，連小河都枯竭了。 無奈之下，小女孩只好再次回到小花身邊，面對即將死去的小花，小女孩流下了傷心的淚水。突然，小花竟然緩緩地復(fù)活了。噢，原來是淚水！是淚水滴在了花的身上！小女孩見到花兒的復(fù)活，轉(zhuǎn)悲為喜，歡快地圍繞著花兒舞蹈。跳舞的過程中的旁白：（朋友，你知道是誰把生命給了我們

4、？是誰把綠色給了山川？是誰把豐收給了田野？是水！是水！水是生命之源！當(dāng)宇宙中那顆冰球與地球相撞后，地球便有了水。因為有了水人類才開始生生息息地繁衍，因為有了水大地才披上了綠裝，萬物才有了生機(jī)勃勃的容顏。）最后以一句發(fā)人深省的話“為了我們共同的家園，請珍惜每一滴水”結(jié)束了全場的表演。 2 機(jī)械部分 2.1頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)器人頭部可以實現(xiàn)兩個自由度的運(yùn)動，使用兩臺小型減速直流電機(jī)，其安裝方式如圖2.1.1所示： 圖1 頭部電機(jī)示意圖 頭部電機(jī)1可以實現(xiàn)昂頭、低頭兩種動作，電機(jī)1正轉(zhuǎn)由連軸器帶動電機(jī)2正向轉(zhuǎn)動，如圖 2.1.1所示。電機(jī)2反轉(zhuǎn)實現(xiàn)頭部動作如圖2.1.2所

5、示。電機(jī)2的正反轉(zhuǎn)帶動頭部可以實現(xiàn)搖頭的動作。 圖2 頭部電機(jī)詳解圖 假設(shè)毛毛面部在xoz平面內(nèi)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)2，其面部轉(zhuǎn)到y(tǒng)oz面內(nèi)，由頭部兩個自由度的組合，可以實現(xiàn)頭部各種動作。 2.2機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)器人肩部使用角鐵連接，角鐵機(jī)械強(qiáng)度高，不易變形，在機(jī)器人動作時可以有效保持本體形態(tài)，不發(fā)生抖動現(xiàn)象；手臂使用鋁合金材料連接，鋁合金質(zhì)輕、強(qiáng)度高，安裝在手臂上可以有效減輕手臂電機(jī)的負(fù)荷、保證其穩(wěn)定性。整個手臂共使用6個電機(jī)，其中左右手各使用3個電機(jī)，左右手安裝形式完全相同，下面介紹手部電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)。安裝形式如圖2.2.1。 圖3 手部電機(jī)示意

6、圖 電機(jī)1、2、3組合，可以使機(jī)器人手臂實現(xiàn)三個自由度的運(yùn)動，能很好地模擬人手大小臂的各種動作。電機(jī)1實現(xiàn)張合臂動作，電機(jī)2實現(xiàn)大臂動作，電機(jī)3實現(xiàn)小臂動作。由此組合成手臂的第二個關(guān)節(jié)，在整個空間內(nèi)自由運(yùn)動。由這4個電機(jī)的組合運(yùn)動，控制手臂在空間內(nèi)自由運(yùn)動，實現(xiàn)手臂的自由彎曲。在我們的表演中，可實現(xiàn)毛毛的各種舞蹈動作及其它細(xì)微動作。 圖4 手部電機(jī)立體圖 2.3．腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 腰部由電機(jī)5驅(qū)動，一改傳統(tǒng)的拉線式結(jié)構(gòu)，我們通過連桿與轉(zhuǎn)動軸相連實現(xiàn)彎腰動作。腰部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧，巧妙的利用了杠桿的原理，電機(jī)負(fù)荷大大減輕，控制精確，工作穩(wěn)定。平面設(shè)計圖如

7、下： 圖5 腰部電機(jī)示意圖 2.4．機(jī)器人底盤 底盤安裝了三個輪，其中由兩個驅(qū)動輪和一個萬向輪組成，安裝結(jié)構(gòu)如圖 2.4.1所示。 圖6 底盤俯視圖 萬向輪安裝在最前端，可實現(xiàn)0～360度自由轉(zhuǎn)向，后輪由兩個大功率減速直流電機(jī)帶動機(jī)器人前后運(yùn)動。 3 硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)的硬件電路主要由以下幾個模塊組成：+5V電源穩(wěn)壓電路及+9V電壓穩(wěn)壓電路、紅外傳感器調(diào)理電路、直流電機(jī)驅(qū)動電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)板電路。 以下分別介紹： 3.1 控制模塊 單片機(jī)最小系統(tǒng)板的設(shè)計 圖7 AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 該模塊的附

8、加功能如下：單片機(jī)的P3.3口接一按鈕開關(guān)，即可用于人機(jī)交互的I/O口輸入按鍵，又可作為外部中斷1的人為輸入端；P3.4口接一個發(fā)光二極管，用于顯示一個I/O口的狀態(tài)；P3.5接蜂鳴器，編寫相關(guān)程序可實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的報警功能。該最小系統(tǒng)板有上電按鍵復(fù)位電路，有電源指示燈，有外部擴(kuò)展EEPROM接口，有防電源反接保護(hù)電路，四組I/O口均可接排阻，由跳線帽設(shè)置。本系統(tǒng)板適用51系列其它任何單片機(jī)芯片，具有良好的通用性。單片機(jī)使用晶振為11.0592MHz。 3.2 傳感器的設(shè)計與安裝 圖8 紅外傳感器驅(qū)動原理圖 該電路可以驅(qū)動四個紅外對管，集成運(yùn)放用最實用的四運(yùn)放芯片LM324。本電路

9、圖利用簡單的紅外發(fā)射接收原理及運(yùn)放制作的電壓比較器將信號調(diào)整成TTL高低電平。便于單片機(jī)的實時采集。 車底座四個紅外發(fā)射接收傳感器，用于檢測地面及記錄路程狀態(tài)，便于返回安全區(qū)域。車身四角上方各有一個紅外接收管，呈45度角裝置，便于當(dāng)小車走到白色節(jié)點(diǎn)時檢測四周四個黑色方格內(nèi)是否有火源。與風(fēng)扇吹風(fēng)相同的方向裝有兩個紅外接收傳感器，判定風(fēng)扇是否已經(jīng)轉(zhuǎn)向火源。具體參考：5.1.6 整機(jī)裝備圖解。 關(guān)于尋跡及計白線傳感器的安裝是經(jīng)過多重考慮最終確定的。將四個傳感器放在小車車身中央同一條直線上，這樣組合使用可以實現(xiàn)功能如下：尋跡、計白色線數(shù)、處理臨界狀態(tài)、防出界、防遇到障礙物等等功能。但它也有局限性，

10、小車后退尋跡無法實現(xiàn)，只有靠轉(zhuǎn)彎來后退，如果將傳感器都放后輪軸下方，就可以很好地跟隨主動輪一起實現(xiàn)前進(jìn)或后退尋跡功能，但裝在后輪下方就會失去更多功能。權(quán)衡利弊，確定讓四傳感器裝在車底座中央下方一條直線上。 3.3 直流電機(jī)驅(qū)動模塊 直流電動機(jī)的驅(qū)動一般可以采用兩種方法：由三極管組成的H橋驅(qū)動和集成電路驅(qū)動。從穩(wěn)定性的角度考慮，我們選用了集成芯片L298。一片L298可以用來驅(qū)動兩個直流電動機(jī)，工作電壓最高可達(dá)到46V，在6—46V的電壓下，可以提供2A的工作電流，L298自帶過熱保護(hù)電路。 利用L298及其外部輔助電路和電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動電路。單片機(jī)控制口接L298的四個輸入控制端IN1,I

11、N2,IN3,IN4。L298的兩個輸出端OUT1,OUT2接電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼如表1.2所示。 表1.2電動機(jī)狀態(tài)編碼表 左電機(jī) 右電機(jī) 左電機(jī) 右電機(jī) 電動車運(yùn)行狀態(tài) 1IN1 1IN2 2IN1 2IN2 1 0 1 0 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行 1 0 0 1 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 1 0 0 0 正轉(zhuǎn) 停 以左電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn) 0 1 1 0 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 0 0 1 0 停 正轉(zhuǎn) 以右電機(jī)為中心原地右轉(zhuǎn) 0 1 0 1 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退 圖9 直流電機(jī)驅(qū)動板 根據(jù)

12、上表可知，只要設(shè)定一塊L298的IN1,IN2,IN3,IN4四個控制端口的不同編碼，就可得到電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)等不同的運(yùn)行狀態(tài)；可使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，L298如圖3.3所示。 3.4 電源模塊 電源無疑是機(jī)器人設(shè)計中一個非常重要的一個模塊，只有電源的穩(wěn)定可靠才使機(jī)器人有可靠運(yùn)行的可能。因為是移動的機(jī)器人，所以它的能源需要與自身本體一起移動，可充電電池成了最好的選擇。在選擇電池的時候主要從以下幾個方面考慮：充電性能、功率密度、電壓、容量、內(nèi)阻。綜合考慮我們選擇了鎳氫電池，鎳氫電池的類型比較多，電池和充電器的花費(fèi)比較節(jié)省。其記憶效應(yīng)遠(yuǎn)小于鎳鎘電池，功率密度也比較高。 機(jī)器人本體上共用到11

13、個12V直流電機(jī)。 使用固定電壓給直流電機(jī)供電可使機(jī)器人的動作及底盤運(yùn)動保持相對恒定，故我們選擇了集成穩(wěn)壓芯片7809，使充電電池輸入的+12V轉(zhuǎn)換成+9V供給各直流電機(jī)，保證了調(diào)試的方便、降低了表演出錯率。 系統(tǒng)一共用到兩種電源，控制電路部分5V和電機(jī)的9V。本系統(tǒng)采用兩塊充電電池（充滿電+13.7V）和一個四節(jié)南孚電池組成的電池盒（約+5.5V）供電，5V電壓供單片機(jī)工作；從12V電源穩(wěn)壓得到9V供機(jī)器人本體中的各個直流電機(jī)工作。 直流電機(jī)，集成驅(qū)動芯片，都會在電源總線上產(chǎn)生噪聲，對此采用了在每個電機(jī)的輸出端接上旁路電容來消除噪聲。 4 軟件設(shè)計 4.1 程序框圖

14、4.2 程序流程圖 圖10 尋跡流程圖 圖11 定位流程圖 圖12 上身動作流程圖 4.3 程序思想 4.3.1 底盤思想 通過程序控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，即可控制機(jī)器人底盤的各種運(yùn)動，包括原地左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)彎右轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、后退、剎車等運(yùn)動狀態(tài)。通過紅外傳感器對運(yùn)動軌跡的檢測，控制機(jī)器人底盤做相應(yīng)的動作。底盤程序中加入了一種巧妙的算法，在尋跡的過程中檢測節(jié)點(diǎn)數(shù)，當(dāng)程序執(zhí)行到尋跡模塊，進(jìn)入死循環(huán)，只有當(dāng)檢測到節(jié)點(diǎn)時才跳出死循環(huán)；并且在每一個節(jié)點(diǎn)出發(fā)處屏蔽節(jié)點(diǎn)計數(shù)器，使傳感器能正常檢測到下一個節(jié)點(diǎn)。 4.3.2 上身思想 為了使機(jī)器人能夠做出抬頭，搖

15、頭，彎腰，舞蹈等動作，機(jī)器人的上身共用了9個直流電機(jī)。 能實現(xiàn)9個自由度，基本上能表現(xiàn)出人基本的單間的動作。 6 總結(jié) 經(jīng)過全體隊員的十多天的努力，我們的機(jī)器人從一個想法和概念變成了現(xiàn)實，并走上了舞臺。在整個制作過程中，大部分電路都是我們自己手焊的，所以有時會因為某個元件的虛焊會使我們白白浪費(fèi)很多的時間去找軟件的錯。在動作的調(diào)試過程中因為直流電機(jī)的累積誤差和不能精確控制使得調(diào)試工作量變得非常大。有時一個動作要調(diào)上五，六個小時。在多人合作中由于有明確的分工，相互協(xié)作也變的尤為重要，軟件離不開電路和機(jī)械的支持，電路和機(jī)械更是離不開軟件來賦予它發(fā)揮更強(qiáng)大功用的能力。為了保證我們的工作

16、順手如意，從制作機(jī)器人一開始我們便通力協(xié)作，遇到問題和困難就一起動手，在解決問題的過程中提高了我們分析和解決問題的能力，也進(jìn)一步認(rèn)識到了電路，機(jī)械和程序之間密不可分的聯(lián)系。 由于沒在意到電源供電的問題，最后出現(xiàn)了一件很麻煩的事：充電電池供電有限，調(diào)試過程中，經(jīng)?？梢钥吹皆诠╇娢醋兊那闆r下，已調(diào)好的動作變得又不精確。 7 致謝 首先要感謝是電子電氣工程系對我們機(jī)器人競賽的大力支持，系里支持才使得我們的許多工作能夠順利的進(jìn)展。感謝譚老師的關(guān)愛、王敬生老師和儲忠老師在整個制作過程的鼓勵和指導(dǎo)。 懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)（E題）設(shè)計與總結(jié)報告 摘要：本設(shè)計以單片機(jī)（C8051F005）作為懸掛運(yùn)動

17、控制系統(tǒng)的控制核心，整個系統(tǒng)由中央控制模塊、鍵盤輸入模塊、跟蹤檢測模塊、液晶顯示模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，可實現(xiàn)懸掛物體的自行設(shè)定“M”形軌跡運(yùn)動，直線運(yùn)動，圓心任意設(shè)定，直徑為50cm的圓周運(yùn)動和軌跡跟蹤運(yùn)動等功能。控制系統(tǒng)接收用戶設(shè)定參數(shù)并進(jìn)行合法性檢驗，然后控制物體按要求運(yùn)動，同時用畫筆畫出物體的運(yùn)動軌跡。跟蹤檢測模塊以光電傳感器構(gòu)成十字交叉型陣列，搜索標(biāo)定的任意曲線，控制懸掛物體沿標(biāo)定的任意曲線運(yùn)動。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩臺混合步進(jìn)電機(jī)28BYJ48A和相關(guān)電機(jī)驅(qū)動電路組成，解決了電機(jī)運(yùn)行的同步問題。大屏幕的液晶顯示模塊可清晰顯示設(shè)定參數(shù)，實時顯示物體所在位置的坐標(biāo)值，并同步顯示懸掛物體的運(yùn)動軌

18、跡。 關(guān)鍵詞：智能控制，軌跡跟蹤，液晶顯示屏（LCD），鍵盤 A movement control system of a suspending object Abstract: 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 compos

19、ed 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 user’s information judges first, and then controls the movement of the object according to requirements while painting the movement track.

20、 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

21、 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 keyboard 1. 系統(tǒng)方案選擇和論證 1.1 設(shè)計要求 1.1.1基本要求： （1）控制系統(tǒng)能夠

22、通過鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)； （2）控制物體在80cm*100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運(yùn)動，運(yùn)動軌跡長度不小100cm，物體在運(yùn)動時能夠在板上畫出運(yùn)動軌跡，限300秒內(nèi)完成； （3）控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運(yùn)動，限300秒內(nèi)完成； （4）物體從左下角坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，在150秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個坐標(biāo)點(diǎn)（兩點(diǎn)間直線距離不小于40cm）。 1.1.2發(fā)揮部分 （1）能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)； （2）控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運(yùn)動（見示意圖），曲線在測試時現(xiàn)場標(biāo)出，線寬1.5cm～1.8 cm，總長度約50 cm，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，

23、長約30 cm；后一部分是兩段總長約20 cm的間斷線段，間斷距離不大于1 cm；沿連續(xù)曲線運(yùn)動限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運(yùn)動限定在300秒內(nèi)完成； （3）其他。 1.2 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可規(guī)劃為中央控制部分，軌跡跟蹤部分、輸入模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示部分和供電部分。如圖1.1所示： ~220V 中央控制模塊 輸入 模塊 顯示 模塊 軌跡跟蹤模塊 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖1.1 系統(tǒng)的基本模塊方框圖 電源模塊 1.2.1 各模塊方案選擇與論證 (1) 控制器模塊 中央控制器為整個系統(tǒng)的核心，

24、通過接受外部信息，按照控制算法驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對中央處理器的選擇多種多樣，但我們熟練掌握8051系列單片機(jī)的控制原理和設(shè)計方法，所以我們選擇C8051F005作為系統(tǒng)控制器。該單片機(jī)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，并且其功耗低，體積小，技術(shù)成熟，完全適合在本系統(tǒng)中應(yīng)用。 (2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 本系統(tǒng)中要求電動機(jī)步距角小，動態(tài)性能好，并能實現(xiàn)精確定位。 方案1：直流電機(jī)。 使用直流電機(jī)作為動力驅(qū)動。在電機(jī)上安置碼盤和紅外接收管或霍爾器件，通過計數(shù)器對接收到的脈沖進(jìn)行計數(shù)，從而算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和繩子改變的長度。但此種方法需要半閉環(huán)控制（即需要線位移反饋或速度反饋），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算困難。

25、 方案2：步進(jìn)電機(jī)。 ①反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（variable reluctance,簡稱VR） 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組，步距角可做得很小，但動態(tài)性能較差。 ②永磁式步進(jìn)電動機(jī)（permanent magnet,簡稱PM） 永磁式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。 ③混合式步進(jìn)電動機(jī)(hybrid,簡稱HB) 混合式步進(jìn)電動機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角小。 所以我們選用混合式步進(jìn)電動機(jī)。并選擇與其適配的專用驅(qū)

26、動集成芯片L297+L298，L297+L298集驅(qū)動和保護(hù)于一體，性能穩(wěn)定，易調(diào)試，且使用方便。 （3）輸入模塊 方案1：鍵盤輸入。 采用優(yōu)良的4*4行列矩陣式鍵盤，此方法操作簡單，節(jié)省單片機(jī)資源，且價格便宜。 方案2：觸摸屏輸入。 通過觸摸檢測部件檢測用戶觸摸位置，接受觸摸信息后送觸摸屏控制器，觸摸屏控制器將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)送給CPU，它同時接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。此方法操作方便，簡單，但價格昂貴。 所以選擇方案1。 （4）顯示模塊 本模塊將實現(xiàn)的功能是實時顯示物體所在位置的坐標(biāo)并同步顯示物體的運(yùn)動軌跡。 方案1：采用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。 數(shù)碼管具有低

27、壓、壽命長、耐老化、防潮，對環(huán)境要求低以及精確可靠、操作簡單、易于維護(hù)等特點(diǎn)，但顯示信息量小，只能顯示坐標(biāo)數(shù)值，無法顯示運(yùn)動軌跡。 方案2：采用液晶顯示屏（LCD）顯示。 液晶顯示屏具有低耗電量，無輻射危險，以及影像不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。并能顯示各種波形，菜單等，顯示內(nèi)容十分豐富。 基于以上分析，擬訂方案2。 （5）軌跡跟蹤模塊 方案1：采用攝像頭。 利用圖像提取技術(shù)或色素提取技術(shù)，根據(jù)攝像頭拍攝到的圖片決定下一步的運(yùn)動方向。其優(yōu)點(diǎn)是控制精確，但其對硬件和軟件的要求都較高，處理起來困難。 方案2：采用熱探測器。 熱探測

28、器是根據(jù)接收到紅外輻射后溫度變化，溫度的變化引起電信號輸出，且輸出的電信號與溫度的變化成比例的原理工作的。當(dāng)紅外線被黑線吸收時，溫度會減小，電壓變低，而紅外線沒有被吸收時，電壓不變，單片機(jī)可以根據(jù)電壓的變化來判斷路面的狀態(tài)。由于溫度變化是因為吸收熱輻射能量引起的，與吸收紅外輻射的波長沒有關(guān)系，即對紅外輻射吸收沒有波長的選擇，因此受外界影響較大，抗干擾較弱。 方案3：采用光電傳感器。 光電傳感器接收紅外輻射后，紅外光子直接把材料的束縛態(tài)電子激發(fā)成傳導(dǎo)電子，由此引起電信號輸出，輸出信號大小與所吸收的光子數(shù)成比例。且這些紅外光子能量的大?。醇t外光還必須滿足一定的波長范圍），必須滿足一定的要求才

29、能激發(fā)束縛電子，起激發(fā)作用。光電傳感器吸收的光子必須滿足一定的波長，否則不能被吸收，所以受外界影響比較小，抗干擾比較強(qiáng)。 基于以上分析，擬訂方案3。 1.2.2 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： （1）控制器模塊：采用單片機(jī)C8051F005控制。 （2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：采用混合式步進(jìn)電機(jī)和專用的驅(qū)動集成芯片L297+L298。 （3）輸入模塊：采用4*4行列矩陣式鍵盤。 （4）顯示模塊：采用點(diǎn)陣型液晶顯示屏（LCD）WG320*240。 （5）軌跡跟蹤模塊：采用紅外光電傳感器。 系統(tǒng)的基本框圖如圖1.4所示。 圖1.4

30、系統(tǒng)的基本組成框圖 中央控制模塊 C8051F005 4*4鍵盤 LCD顯示 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動電路 軌跡跟蹤模塊 步進(jìn)電機(jī)及相關(guān)機(jī)械裝置 直流穩(wěn)壓 電源 2. 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng)功能簡述： （1）控制系統(tǒng)能夠通過4*4鍵盤輸入物體的運(yùn)動形式，例如直線運(yùn)動，圓周運(yùn)動，自行設(shè)定軌跡運(yùn)動和軌跡跟蹤運(yùn)動?？梢匀我庠O(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)，并進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)合法性檢驗； （2）在規(guī)定時間內(nèi)完成物體在80cm*100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的“M”形運(yùn)動并能夠在白板上畫出物體的運(yùn)動軌跡； （3）在規(guī)定的時間內(nèi)完成懸掛物體作圓心任意設(shè)定，直徑為50cm

31、的圓周運(yùn)動； （4）在規(guī)定的時間內(nèi)完成懸掛物體作起點(diǎn)在原點(diǎn)，終點(diǎn)任意設(shè)定的直線運(yùn)動； （5）能夠通過大屏幕的液晶屏顯示當(dāng)前的運(yùn)動形式以及與其相關(guān)的特定參數(shù)，實時顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)值，并同步顯示物體的運(yùn)動軌跡； （6）在規(guī)定的時間內(nèi)實現(xiàn)軌跡跟蹤的功能。軌跡為任意設(shè)定的黑色軌跡，分為連續(xù)部分和間斷部分。 2.1 系統(tǒng)的硬件組成部分 本題是一個光、機(jī)、電一體的綜合設(shè)計，在設(shè)計中運(yùn)用了檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)和電子技術(shù)。系統(tǒng)可分為傳感器檢測部分，智能控制部分，LCD顯示部分和供電部分。 傳感器檢測部分：系統(tǒng)利用光電傳感器將檢測到的外部信息（例如軌跡情況）轉(zhuǎn)化為可被控制器件辨認(rèn)的電

32、信號。軌跡跟蹤模塊即屬于這一部分。 智能控制部分：系統(tǒng)中控制器件根據(jù)傳感器變換輸出的電信號進(jìn)行邏輯判斷和計算，控制電機(jī)動作，完成懸掛物體的軌跡跟蹤運(yùn)動。同時還可根據(jù)鍵盤的輸入?yún)?shù)，控制懸掛物體作相應(yīng)的軌跡運(yùn)動。 LCD顯示部分：液晶顯示屏（LCD）顯示當(dāng)前的運(yùn)動形式以及與其相關(guān)的設(shè)定參數(shù)，實時顯示物體所在位置的坐標(biāo)值，并同步顯示物體的運(yùn)動軌跡。 供電部分：為系統(tǒng)各個單元提供正常穩(wěn)定的工作電壓。 2.2主要單元電路設(shè)計 2.2.1 智能控制部分的單元電路設(shè)計 （1） 中央控制模塊電路的設(shè)計 單片機(jī)的最小系統(tǒng)及外圍電路具體如圖2.1所示。單片機(jī)C8051F005接收鍵盤的輸

33、入和軌跡跟蹤模塊的信息，并將輸入信號進(jìn)行運(yùn)算處理，以控制脈沖的形式來控制電機(jī)動作，從而完成各項任務(wù)要求。 為了方便單片機(jī)引腳的使用，我們將單片機(jī)的所有引腳用接口引出。 其中： ①鍵盤接口：P2口； ②電機(jī)接口：左邊電機(jī)脈沖輸入端：P0.6，方向控制端：P0.7； 右邊電機(jī)脈沖輸入端：P3.6，方向控制端：P3.7； ③液晶顯示屏接口：A0、WR、RD、CS、RST：P3.0～P3.4； 數(shù)據(jù)線DB0～DB7：P1口； ④ 軌跡跟蹤模塊的輸入接口：紅外光電傳感器的輸出接口根據(jù)傳感器的位置從上到左按逆時針分別接P0.0～P0.4。 ⑤ 光指示二極管接口：P3.5 圖2.1

34、C8051F005的最小系統(tǒng)及外圍電路 （2）電機(jī)模塊 電機(jī)的選擇：本系統(tǒng)是一個電機(jī)控制系統(tǒng)，所以電機(jī)的選擇至關(guān)重要?，F(xiàn)對懸掛物體進(jìn)行受力分析， 15cm mg F1 F2 θ1 θ2 圖2.2 物體的受力分析 如圖2.2所示： F1sinθ1 = F2sinθ2 F1cosθ1 + F2cosθ2 = mg 其中：根據(jù)白板尺寸, 張角θmax=arctg(115/15)≈82.5 θmin=arctg(15/115)≈7.4 所以，7.4≤θ1≤82.5；7.4≤θ2≤82.5。 由于是定滑輪兩邊受力相同，所以繩子對物體的拉力等

35、于繞線輪對繩子的拉力，則算出繩子的最大拉力就可以得到拉力對繞線輪的最大轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)上述數(shù)學(xué)公式求得拉力的極值，F(xiàn)1≤1.9mg。 取F1=2mg，電動機(jī)上的繞線輪直徑為4.9cm，則半徑r=2.45 cm 懸掛物對繞線輪的轉(zhuǎn)矩：Tn=F1r=20.1kg9.8N/kg0.0245m=48mN.m 即所選電機(jī)扭矩為≥48mN.m 對照電機(jī)手冊，我們選擇了混合式步進(jìn)電機(jī)28BYJ48A，洛社微特電機(jī)廠。 供電電壓：直流電壓12V電壓供電。 脈沖步長：繞線輪周長為4.9πcm，發(fā)2050個脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈。 脈沖步長= 4.9π2050=0.0075cm。 （3）電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)

36、計與實現(xiàn) 28BYJ48A型步進(jìn)電機(jī)有與其配套的專用驅(qū)動芯片L297+L298，具體電路如圖2.3所示。 ① L298的2、3、13和14腳分別接四相步進(jìn)電機(jī)的 A相，B相，C相和D相 ； ② L297的17腳（cw/ccw）為轉(zhuǎn)向控制端。高電平，電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動，低電平，電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動； ③ L297的18腳（clk）為脈沖輸入端。每接收一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一步； ④ L297的19腳(half/full) 為模式控制端。高電平為單步工作方式，低電平為雙步工作方式，單步工作的步距角為雙步的兩倍； ⑤ L297的15腳（Vref）控制負(fù)載的最大電流； ⑥ 其他控制管腳接有效電平。

37、 工作過程： 電機(jī)上5根接線分別接L298的A、B、C、D四相和COM端，當(dāng)L297的clock端接收到一個脈沖，電機(jī)根據(jù)cw/ccw端的電平，順時針或者逆時針運(yùn)動一步，步長為0.0075cm。 圖2.3電機(jī)的專用驅(qū)動電路 （4）鍵盤模塊 鍵盤上設(shè)有： 數(shù)字鍵：數(shù)字0~9，用于輸入X軸坐標(biāo)，Y軸坐標(biāo)和圓心坐標(biāo)等數(shù)值。 功能鍵：X軸坐標(biāo)值與Y軸坐標(biāo)值之間的分隔符，確認(rèn)鍵，清除鍵，自行設(shè)定軌跡運(yùn)動的標(biāo)志鍵，圓周運(yùn)動的標(biāo)志鍵和軌跡跟蹤標(biāo)志鍵。 設(shè)定直線運(yùn)動的終點(diǎn)坐標(biāo)時，分隔符之前的值表示X坐標(biāo)值，范圍為0~80cm；分隔符之后的值表示Y坐標(biāo)值，范圍為0~100 cm。若作

38、圓周運(yùn)動，先按下圓周運(yùn)動標(biāo)志鍵，圓心坐標(biāo)可以任意設(shè)定，設(shè)定過程與直線的終點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)定相同。按下自行設(shè)定軌跡運(yùn)動的標(biāo)志鍵后，物體即可按照預(yù)先設(shè)定的“M”形軌跡運(yùn)動。確認(rèn)鍵按下后程序開始執(zhí)行。清除鍵可以用來重新設(shè)置運(yùn)動形式或坐標(biāo)參數(shù)。整個鍵盤操作界面十分友好。 （5）顯示模塊 采用LCD顯示懸掛物體運(yùn)動的相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計中選擇SED1335，其特點(diǎn)如下： ①　有較強(qiáng)功能的I/O緩沖器； ②　指令功能豐富； ③　四位數(shù)據(jù)并行發(fā)送，最大驅(qū)動能力為640256點(diǎn)陣； ④　圖形和文本方式混合顯示。 接口電路如圖2.4所示： a. DB0-DB7：三態(tài)，數(shù)據(jù)總線，可直接掛在MCU數(shù)據(jù)

39、總線上； b．CS：輸入，片選信號、低電平有效。當(dāng)MCU訪問SED1335時，將其置低； 　 c． A0：輸入，I/O緩沖器選擇信號，A0=1寫指令代碼和讀數(shù)據(jù)，A0=0時寫數(shù)據(jù)參數(shù)和讀忙標(biāo)志； d．RD：輸入，讀操作信號； e．WR：輸入，寫操作信號； f．RES：輸入，復(fù)位信號，低有效，當(dāng)重新啟動SED1335時也需用指令SYSTEMSET。 整個屏幕的最下方顯示“懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)”字樣。左半邊同步顯示物體的運(yùn)動軌跡，右上方根據(jù)鍵盤的輸入情況顯示物體的運(yùn)動形式以及相關(guān)參數(shù)，右下方實時顯示物體所在位 置坐標(biāo)值。例如作直線運(yùn)動時，右上方會顯示“直線”字樣，“直線”字樣下方顯

40、示用戶設(shè)定的直線運(yùn)動終點(diǎn)坐標(biāo)，右下方實時顯示物體所在位置的坐標(biāo)值；左半邊同步顯示直線運(yùn)動的運(yùn)動軌跡。作圓周運(yùn)動時，右上方會顯示“圓”的字樣，字樣下方顯示圓心坐標(biāo)和半徑，右下方實時顯示物體所在位置的坐標(biāo)值；左半邊同步顯示圓周運(yùn)動的運(yùn)動軌跡。其他運(yùn)動時顯示界面基本相同，此顯示界面清晰、明了、美觀、大方。 圖2.4 液晶與單片機(jī)接口 2.2.2 檢測部分的單元電路設(shè)計 軌跡跟蹤模塊 根據(jù)題目要求，懸掛物體能沿著黑色軌跡運(yùn)動。為了使物體能在特定的黑色軌跡上運(yùn)動，系統(tǒng)需要將軌跡的狀態(tài)及時的以電信號的形式反饋到控制部分，控制部分控制電機(jī)相應(yīng)的動作，使物體一直沿著黑色軌跡運(yùn)動。 圖2.5

41、為紅外光電傳感器具體的電路圖。 傳感器工作過程如下：紅外發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)出紅外光，經(jīng)反射物體反射到接收管上，接收管導(dǎo)通，比較器LM324的正向輸入端電壓低于反向輸入端電壓，比較器輸出為低電平；當(dāng)紅外光照射到黑色膠帶時，反射到接收管上的光量減少，接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，則比較器的正向輸入端電壓高于反向輸入端電壓，輸出為高電平。由于光電傳感器受外界的影響較大，容易引起單片機(jī)誤判，因此在電路中加入了一個電位器（阻值為300K），調(diào)整電位器的阻值即可改變接收管的靈敏度，10K電阻可調(diào)節(jié)比較器的反向輸入端電壓。 圖2.5 紅外發(fā)射—接收電路圖 跟蹤原理： （1）線寬的選擇：

42、題目要求軌跡的寬度為1.5 cm～1.8cm，我們選定寬為1.7 cm的黑色電工膠帶，符合要求。 （2）傳感器的安裝： 傳感器的安裝對軌跡狀態(tài)的檢測有至關(guān)重要的影響。安裝時應(yīng)該讓傳感器檢測到的狀態(tài)正確反應(yīng)黑色軌跡的狀態(tài)，從而正確判斷下一步的走向，使物體能沿著黑色軌跡正確運(yùn)動。 如圖2.6所示，物體上安裝五個紅外傳感器，成上、下、左、右和正中的十字交叉形陣列，實現(xiàn)軌跡跟蹤運(yùn)動功能。白色小框表示發(fā)射管，黑色小框表示接收管。分別假定上方傳感器為a，右方傳感器為b，下方傳感器為c，左方傳感器為d，正中間傳感器為e。其中：為了不使五個傳感器同時檢測到軌跡（當(dāng)五個傳感器同時檢測到軌跡時無法判斷下一步

43、的方向），故四周的傳感器到中心位置的傳感器的距離應(yīng)大于軌跡寬度的1/2，即n>1.7/2cm，同時n的值又不能大于軌跡寬度（大于軌跡寬度容易丟失軌跡，也導(dǎo)致無法判斷），即n<1.7cm，又因為傳感器自身長度為0.4 cm，所以我們選擇a，b，c，d四個傳感器與e傳感器發(fā)射管之間的距離為1.5 cm。另外我們還做了兩套傳感器，四周傳感器a,b,c,d與e傳感器之間的距離分別為0.8 cm和1.7 cm，經(jīng)過反復(fù)實驗，證明四周傳感器與中心傳感器之間的距離為1.5 cm的傳感器陣列檢測效果最好，是檢測軌跡狀態(tài)的最佳選擇。 a b c d e 圖2.6傳感器陣列

44、 （3） 跟蹤思想： 單片機(jī)接收傳感器檢測的輸出信號數(shù)據(jù)，來控制懸掛物體沿給定軌跡運(yùn)動。根據(jù)+Y走向（向上運(yùn)動）和-Y走向（向下運(yùn)動）不可能同時有效，+X走向（向右運(yùn)動）和-X走向（向左運(yùn)動）也不可能同時有效，但 +Y和-X，+Y和+X，-Y和-X，-Y和+X走向可以同時有效的思想，來實現(xiàn)全方位軌跡跟蹤的。 ① 設(shè)定運(yùn)動方向標(biāo)志位 設(shè)定向上標(biāo)志位為bitup，向下標(biāo)志位為bitdown，向左標(biāo)志位為bitleft，向右標(biāo)志位為bitright。標(biāo)志位為“1”表示相應(yīng)運(yùn)動方向有效，為“0”表示相應(yīng)運(yùn)動方向無效。bitup和bitdown，bitleft和

45、bitright不能同時有效，最先檢測到黑色軌跡傳感器則設(shè)定該方向的運(yùn)動方向標(biāo)志位為“1”，當(dāng)中心傳感器e脫離了軌跡，并且該方向的方向傳感器也為無效時，清除該方向的運(yùn)動標(biāo)志位。 ② 判斷規(guī)則： a.連續(xù)軌跡判定：將傳感器探頭放在軌跡開始位置，保證中心傳感器和一方向傳感器在軌跡上。開始跟蹤，系統(tǒng)檢測五只傳感器的狀態(tài)，根據(jù)上述方法設(shè)置bitup和 bitdown，bitleft和bitright方向標(biāo)志，然后沿該方向運(yùn)動一步（物體運(yùn)動一步是指物體移動0.1cm，以下相同），同時再檢測該方向的方向傳感器，是否仍然為有效，若有效將繼續(xù)沿該方向運(yùn)動一步，再檢測e傳感器，若中心傳感器e的檢測狀態(tài)為

46、0，判斷方向傳感器的檢測狀態(tài)也為0時，原方向退回二步（因為軌跡的寬度為1.7, 傳感器之間的距離為1.5 cm），并清除該方向標(biāo)志位。否則，繼續(xù)上述過程。 b.間斷軌跡判定：當(dāng)中心傳感器e狀態(tài)為“0”，而某一方向傳感器的狀態(tài)為“1”時，說明物體正處在間斷軌跡上，這時繼續(xù)向此方向走動12步（1.2 cm，大于間斷曲線之間的距離1 cm），若中心傳感器的檢測狀態(tài)為“1”則根據(jù)上述方法判定軌跡形態(tài)，繼續(xù)跟蹤；若不能檢測到任何狀態(tài)，當(dāng)所有方向傳感器都檢測不到任何有效信息時，判斷軌跡跟蹤結(jié)束。 2.2.3 供電部分的設(shè)計 電源模塊 電

47、源模塊的電路圖如圖2.7所示：系統(tǒng)通電后，交流電壓220V經(jīng)過變壓器變換成交流電壓14V，經(jīng)過整流，濾波，可調(diào)式三端穩(wěn)壓器LM317和三端穩(wěn)壓器7805分別得到12V和 5V的穩(wěn)定電壓。 LM317系列穩(wěn)壓器能在輸出電壓為1.25～37V的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，其芯片內(nèi)也有過流、過熱和安全工作區(qū)保護(hù)。最大輸出電流為1.5A。輸出電壓Uo的表達(dá)式為： Uo=1.25（1+RP1/R1） 式中，R1=100Ω，輸出端與調(diào)整端壓差為穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓（典型值為1.25V），Uo=12V,RP1=(12/1.25-1)*R1=860Ω,取RP1為一個5.1K的電位器。

48、 圖2.7系統(tǒng)電源電路圖 3.軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用高級語言，C語言編寫的，對單片機(jī)編程實現(xiàn)各項功能，程序是在Windows 2000環(huán)境下采用 Keil uVision 2軟件編寫的，可以實現(xiàn)單片機(jī)對紅外傳感器的查詢、電機(jī)方向的確定等功能。 電動機(jī) 電動機(jī) L1 L2 圖3.1 整體框架 原點(diǎn) 80cm 15 cm 15cm 15cm 100cm 15cm

49、 如圖3.1所示，建立數(shù)學(xué)模型： L1= L2= (0<=x<=80cm;0<=y<=100cm) 控制思想： 設(shè)定左邊電機(jī)控制L1的長度，右邊電機(jī)控制L2的長度，通過電動機(jī)順時針或者逆時針轉(zhuǎn)動放線或者收線（跟繞線方向有關(guān)），以此改變L1和L2的長度。當(dāng)X方向或Y方向改變了一個單位長度，通過上述關(guān)系式得到L1和L2的值，與未運(yùn)動之前的數(shù)值進(jìn)行比較，得出的差值轉(zhuǎn)換成電機(jī)的動作。根據(jù)此數(shù)學(xué)模型，有兩種算法可以實現(xiàn)物體的運(yùn)動。 （1）

50、逐點(diǎn)比較法 原理：計算機(jī)在控制加工過程中，能逐點(diǎn)的計算和判別加工誤差與規(guī)定的運(yùn)動軌跡進(jìn)行比較，由比較結(jié)果決定下一步的移動方向。 特點(diǎn)：運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻而且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便。 (xe,ye) Y 圖3.2 直線示意圖 A C B O 工作節(jié)拍：偏差 判別 進(jìn)給 x 直線上方（點(diǎn)Ａ），直線上（Ｂ點(diǎn)），直線下方（點(diǎn)Ｃ）。顯然，在點(diǎn)Ａ處，為使物體向輪廓直線靠攏，應(yīng)＋Ｘ向走一步；Ｃ點(diǎn)處，應(yīng)＋Ｙ向走一步；至

51、于Ｂ點(diǎn)，看來兩個方向均可以，但考慮編程時的方便，現(xiàn)規(guī)定往＋Ｘ向走一步。 Ｆ＝ＸeＹ－ＸＹe為原始的偏差計算公式（Ｘ，Ｙ為當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)動態(tài)坐標(biāo); Ｘe,Ｙe為終點(diǎn)坐標(biāo)），Ｆ稱為偏差，每走一步到達(dá)新位置點(diǎn)，就要計算相應(yīng)的Ｆ值。 顯然，Ｆ≥0時，須＋X向走一步；Ｆ＜0時，須＋Ｙ向走一步。為方便編程和提高計算速度，現(xiàn)對偏差Ｆ的計算公式加以簡化： 插補(bǔ)點(diǎn)位于Ａ、Ｂ點(diǎn)時，走完下一步（＋Ｘ）， 動態(tài)坐標(biāo)變?yōu)椋海ǎ兀剑兀?，Ｙ＝Ｙ）? 新偏差變?yōu)椋海苙＝ＸeＹ－（Ｘ＋１）Ｙe＝ＸeＹ－ＸＹe－Ｙe＝Ｆ－Ｙe。 這個公式比Ｆ＝ＸeＹ－ＸＹe計算要方便。 因此：走完＋Ｘ后：偏差計算公式為Ｆn＝Ｆ－Ｙe

52、； 走完＋Ｙ后：偏差計算公式為Ｆn＝Ｆ＋Ｘe。 基本軟件流程圖如圖3.3所示： 開始 偏差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計算 結(jié)束 終點(diǎn)? 圖3.3 插補(bǔ)算法流程圖 N Y （2）數(shù)字積分法 數(shù)字積分法(DDA)就是使用一系列的小矩形面積之和來近似輪廓曲線函數(shù)積分的整個面積。 物理意義：使動點(diǎn)沿速度矢量的方向前進(jìn)。

53、 特點(diǎn)：脈沖源每產(chǎn)生一個脈沖，就控制被積函數(shù)進(jìn)入累加器作一次累加(積分)運(yùn)算，累加和一旦超過累加器的容量，就產(chǎn)生溢出脈沖，并控制相應(yīng)坐標(biāo)進(jìn)給相當(dāng)于一個脈沖當(dāng)量的位移量。 經(jīng)過比較，逐點(diǎn)比較法簡單、直觀，所以選用逐點(diǎn)比較法來實現(xiàn)各種運(yùn)動形式。 3.1直線運(yùn)動 由上述分析，我們采用逐點(diǎn)比較法實現(xiàn)物體的直線運(yùn)動。當(dāng)從鍵盤輸入直線的終點(diǎn)坐標(biāo)時，根據(jù)算法對單片機(jī)編程，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)懸掛物體的直線運(yùn)動。直線運(yùn)動分為左上、左下、右上、右下四種情況。如圖3.4所示：不同方向的直線運(yùn)動，下一步的走向有所不同，但總體流程相似。 X Y Y X 圖3.4 直線的運(yùn)動形式

54、 程序流程圖如圖3.5所示： 其中，直線的起點(diǎn)坐標(biāo)：（x0,y0），終點(diǎn)坐標(biāo)：（x1,y1），實時坐標(biāo)：（x8,y8）。 Fm=(x1-x8)*(y0-y8)-(yl-y8)*(x0-x8) x1>=x0&& y1>=y0 Fm<=0 Y x0+=1 y0+=1 x1>x0&& y1

55、 y1>y0 x1

56、5 直線流程圖 3. 2自行設(shè)定軌跡運(yùn)動 在平面內(nèi)自行設(shè)定任意軌跡運(yùn)動。我們設(shè)定的軌跡為“M”字樣，主要是考慮到“M”這種軌跡基本上包含了各種直線運(yùn)動方向，完成折線的運(yùn)動。且設(shè)定兩邊長度為42.5 cm，中間兩段長度36cm，整個路程長159 cm，大于題目要求的100 cm，程序中調(diào)用4段直線運(yùn)動即可。 3. 3 圓周運(yùn)動 方法1：我們已經(jīng)知道，一個圓周可以分成若干段圓弧，可以利用圓弧的算法來實現(xiàn)圓周運(yùn)動。每段圓弧可通過逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法來實現(xiàn)，兩者的原理前面已經(jīng)詳述，這里不再贅述。 我們繼續(xù)采用逐點(diǎn)比較法，但對圓弧算法有稍稍不同，現(xiàn)以圓心為原點(diǎn)的第一象限順圓為例

57、介紹，如圖3.6所示： 圖3.6 第一象限順圓 Y A B C X 輪廓線外面（點(diǎn)Ａ），輪廓線上（Ｂ點(diǎn)），輪廓線里面（點(diǎn)Ｃ）。顯然，在點(diǎn)Ａ處，為使懸掛物體向輪廓圓弧靠攏，應(yīng)－Y向走一步；Ｃ點(diǎn)處，應(yīng)＋X向走一步；至于Ｂ點(diǎn)，看來兩個方向均可以，但考慮編程時的方便，現(xiàn)規(guī)定往－Y向走一步。原始的偏差計算公式為：F＝Ｘ2＋Y2－R2（X，Y為當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)動態(tài)坐標(biāo)）。 顯然，Ｆ＜0時，須+Ｘ向走一步；F≥0時，須-Y向走一步。為方便編程和提高計算速度，對偏差Ｆ的計算公式加以簡

58、化： 插補(bǔ)點(diǎn)位于Ａ、Ｂ點(diǎn)時，走完下一步（－Y）， 動態(tài)坐標(biāo)變?yōu)椋海╔＝X，Y＝Y(jié)－１）， 新偏差變?yōu)椋篎n＝X2＋（Y-1）2－R2＝F－2Y＋１。 插補(bǔ)點(diǎn)位于Ｃ點(diǎn)時，走完下一步（＋X）， 動態(tài)坐標(biāo)變?yōu)椋海╔＝X＋１，Y＝Y(jié)）， 新偏差變?yōu)镕n＝（X＋１）2＋Y2－R2=F＋2X＋１。 因此：走完－Y后：偏差計算公式為Fn＝F－2Y＋１， 動態(tài)坐標(biāo)修正為Y＝Y(jié)－１； 走完＋X后：偏差計算公式為Fn＝F＋2X＋１， 動態(tài)坐標(biāo)修正為X＝X＋１。 流程圖如圖3.7所示：

59、 初始化 延時 F>=0? -Y走步 +X走步 F=F-2Y+1 Y=Y-1 F=F+2X+1 X=X+1 到終點(diǎn)? 結(jié)束 圖3.7 圓弧的插補(bǔ)流程圖 Y N N 方法2

60、：圓周上取點(diǎn)。把圓劃分成若干個點(diǎn)組成，再按順序把點(diǎn)連接起來，即可獲得圓周的軌跡，取的點(diǎn)越多，物體的運(yùn)動軌跡越接近圓。如下圖所示， 我們以8個點(diǎn)進(jìn)行講述： 假設(shè)物體的半徑為r0，圓心坐標(biāo)為(x0,y0)， 物體逆時針畫圓, 并設(shè)A點(diǎn)為起始點(diǎn)，則物體可按逆時針從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn) A B H C G D F E 計算公式如下： A(x0,y0+r0)： L1(A)= L2(A)= 對于B點(diǎn):

61、 L1(B)= L2(B)= 從上式可得到兩點(diǎn)之間的距離差,即可換算成脈沖數(shù)和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向,其余點(diǎn)雷同。 所有計算均可按照通式: L1()= L2()= 來進(jìn)行。 為了減小誤差必須增加所取點(diǎn)數(shù)，這樣計算將非常復(fù)雜，不宜采用。 基于上述分析，采用逐點(diǎn)比較法來實現(xiàn)圓周運(yùn)動。根據(jù)順圓，逆圓和所處位置不同來考慮。 (x0,y0) R0

62、 Y Ⅲ Ⅱ Ⅰ Ⅳ X 我們所畫的是順圓，逆圓流程圖與其相似，只是X，Y方向的動作有所區(qū)別。 圖中：(x0,y0)為圓心坐標(biāo)，Ⅰ區(qū)坐標(biāo)點(diǎn)范圍為x0

63、點(diǎn)范圍為x0-r=0 I區(qū) II區(qū) III區(qū) IV區(qū) Fm>=0 Fm>=0 Fm>=0 到終點(diǎn) Xq-=1 Yq-=1 Xq+=1 Xq+=1 Yq+=1 Yq-=1 Yq+=1 Xq-=1 初始化 （X0，Y0，r，Xq，Yq，Xz，Yz） Y N Y N Y Y N N Y N Y Y N Y N

64、 N 圖3.8 圓的流程圖 3.4 軌跡跟蹤子程序 根據(jù)跟蹤思想，子程序框圖如圖3.9所示： 初始化 根據(jù)總體運(yùn)動方向和傳感器狀態(tài)判斷走向 物體總體運(yùn)動方向的判斷 向相應(yīng)的方向走一步（0.1Cm） 到斷點(diǎn) 根據(jù)總體運(yùn)動方向和傳感器狀態(tài)判斷走向 向相應(yīng)的方向走十二步（1.2Cm） 尋跡結(jié)束+- 結(jié)束 Y N Y N 圖3.9 軌跡跟蹤子程序 3.5 其他子程序 鍵盤子程序：

65、任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)，并能對輸入數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行校驗。 液晶顯示子程序：實時顯示物體所在位置坐標(biāo)值并同步顯示物體的運(yùn)動軌跡。 光指示子程序：按下確認(rèn)鍵物體開始運(yùn)動，點(diǎn)亮發(fā)光二極管；物體停止運(yùn)動時，熄滅發(fā)光二極管。 4.系統(tǒng)測試 為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，我們對系統(tǒng)進(jìn)行了實際的測試。 4.1測試儀器設(shè)備 測試使用的儀器設(shè)備如表4.1所示： 表4.1 儀器設(shè)備 序號 名稱,型號,規(guī)格 數(shù)量 備注 1 數(shù)字示波器 1 Tektronix TDS2012 泰克科技（中國）有限公司 2 秒表精度0.01s 1 上海秒表廠 3 軟尺最大測量距離200cm,

66、最小量程0.1cm 1 河南虞城華星量具有限公司 4 數(shù)字萬用表 1 優(yōu)利得有限公司 4.2 測試方法和結(jié)果 （1）鍵盤輸入 測試方法：手動任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)。 測試結(jié)果：鍵盤輸入情況如表4.2所示，單位：cm 表4.2 鍵盤輸入的測試 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 輸入值 x =12，y =25 x =75，y =63 x =90，y =25 x =20，y =90 x =20，y =105 顯示值 x =12，y =25 x =75，y =63 Error! x =20，y =90 Error! （2） 自行設(shè)定軌跡運(yùn)動 我們選定的軌跡為“M”字樣的軌跡。 測試方法： 執(zhí)行時間T：前面已經(jīng)提及，當(dāng)確認(rèn)鍵按下后，物體開始按要求運(yùn)動，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，點(diǎn)亮瞬間開始計時，物體停止運(yùn)動時發(fā)光二極管熄滅，熄滅瞬間停止計時。 則此種運(yùn)動的執(zhí)行時間T = 二極管的點(diǎn)亮?xí)r間； 測試結(jié)果：預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動測試情況如表4.3所示： 表4.3自行設(shè)定軌跡運(yùn)動的測試 第一次 第