機(jī)器人設(shè)計(jì)論文

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1、科大RoboShow邀請(qǐng)賽 1 創(chuàng)意： 1.1 創(chuàng)意背景： 我們的創(chuàng)意來(lái)自于目前全世界都面臨的一個(gè)生存危機(jī)問(wèn)題——水資源的匱乏。椐統(tǒng)計(jì)： 人類(lèi)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(guó)家和地區(qū)存在著缺水危機(jī)。 我國(guó)的水資源狀況： 我國(guó)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?chē)?yán)重，應(yīng)與于重視。 基于以上現(xiàn)況，我們?cè)O(shè)計(jì)如下場(chǎng)景：一天,（機(jī)器人）小女孩“毛毛”在放學(xué)回家的路上，看見(jiàn)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(méi)有找到一滴水，于是她無(wú)奈地回到了小花的跟前，眼看著奄奄一息的花兒，自己卻無(wú)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(jiàn)到此情此景時(shí)，轉(zhuǎn)悲為喜，以一段歡快的舞蹈表達(dá)小女孩此時(shí)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(chǎng)的表演。 1.2 構(gòu)思過(guò)程 經(jīng)過(guò)多次征求意見(jiàn)，組內(nèi)討論

3、，我們?cè)O(shè)計(jì)的故事情節(jié)如下：（舞臺(tái)布景：陽(yáng)光，小路，干涸的河床，干枯的野草野花等等） 傍晚，陽(yáng)光依然沒(méi)有半點(diǎn)退卻的意思。當(dāng)下課鈴響時(shí)，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(jiàn)一株已經(jīng)凋零的小花。 善良的毛毛不忍心讓它就這樣無(wú)聲無(wú)息的死去。與是毛毛轉(zhuǎn)身去找水來(lái)就活小花，但是找來(lái)找去都沒(méi)有找到一滴水，連小河都枯竭了。 無(wú)奈之下，小女孩只好再次回到小花身邊，面對(duì)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(lái)是淚水！是淚水滴在了花的身上！小女孩見(jiàn)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(guò)程中的旁白：（朋友，你知道是誰(shuí)把生命給了我們

4、？是誰(shuí)把綠色給了山川？是誰(shuí)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?yàn)橛辛怂祟?lèi)才開(kāi)始生生息息地繁衍，因?yàn)橛辛怂蟮夭排狭司G裝，萬(wàn)物才有了生機(jī)勃勃的容顏。）最后以一句發(fā)人深省的話(huà)“為了我們共同的家園，請(qǐng)珍惜每一滴水”結(jié)束了全場(chǎng)的表演。 2 機(jī)械部分 2.1頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人頭部可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，使用兩臺(tái)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(shí)現(xiàn)昂頭、低頭兩種動(dòng)作，電機(jī)1正轉(zhuǎn)由連軸器帶動(dòng)電機(jī)2正向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 2.1.1所示。電機(jī)2反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)頭部動(dòng)作如圖2.1.2所

5、示。電機(jī)2的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)頭部可以實(shí)現(xiàn)搖頭的動(dòng)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?jī)蓚€(gè)自由度的組合，可以實(shí)現(xiàn)頭部各種動(dòng)作。 2.2機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(dòng)作時(shí)可以有效保持本體形態(tài)，不發(fā)生抖動(dòng)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(gè)手臂共使用6個(gè)電機(jī)，其中左右手各使用3個(gè)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(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，能很好地模擬人手大小臂的各種動(dòng)作。電機(jī)1實(shí)現(xiàn)張合臂動(dòng)作，電機(jī)2實(shí)現(xiàn)大臂動(dòng)作，電機(jī)3實(shí)現(xiàn)小臂動(dòng)作。由此組合成手臂的第二個(gè)關(guān)節(jié)，在整個(gè)空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。由這4個(gè)電機(jī)的組合運(yùn)動(dòng)，控制手臂在空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的自由彎曲。在我們的表演中，可實(shí)現(xiàn)毛毛的各種舞蹈動(dòng)作及其它細(xì)微動(dòng)作。 圖4 手部電機(jī)立體圖 2.3．腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰部由電機(jī)5驅(qū)動(dòng)，一改傳統(tǒng)的拉線(xiàn)式結(jié)構(gòu)，我們通過(guò)連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連實(shí)現(xiàn)彎腰動(dòng)作。腰部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)圖如

7、下： 圖5 腰部電機(jī)示意圖 2.4．機(jī)器人底盤(pán) 底盤(pán)安裝了三個(gè)輪，其中由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)萬(wàn)向輪組成，安裝結(jié)構(gòu)如圖 2.4.1所示。 圖6 底盤(pán)俯視圖 萬(wàn)向輪安裝在最前端，可實(shí)現(xiàn)0～360度自由轉(zhuǎn)向，后輪由兩個(gè)大功率減速直流電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)。 3 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件電路主要由以下幾個(gè)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(dòng)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(jì) 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：?jiǎn)纹瑱C(jī)的P3.3口接一按鈕開(kāi)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(gè)發(fā)光二極管，用于顯示一個(gè)I/O口的狀態(tài)；P3.5接蜂鳴器，編寫(xiě)相關(guān)程序可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)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(xiàn)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(jì)與安裝 圖8 紅外傳感器驅(qū)動(dòng)原理圖 該電路可以驅(qū)動(dòng)四個(gè)紅外對(duì)管，集成運(yùn)放用最實(shí)用的四運(yùn)放芯片LM324。本電路

9、圖利用簡(jiǎn)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(hào)調(diào)整成TTL高低電平。便于單片機(jī)的實(shí)時(shí)采集。 車(chē)底座四個(gè)紅外發(fā)射接收傳感器，用于檢測(cè)地面及記錄路程狀態(tài)，便于返回安全區(qū)域。車(chē)身四角上方各有一個(gè)紅外接收管，呈45度角裝置，便于當(dāng)小車(chē)走到白色節(jié)點(diǎn)時(shí)檢測(cè)四周四個(gè)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(gè)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(jì)白線(xiàn)傳感器的安裝是經(jīng)過(guò)多重考慮最終確定的。將四個(gè)傳感器放在小車(chē)車(chē)身中央同一條直線(xiàn)上，這樣組合使用可以實(shí)現(xiàn)功能如下：尋跡、計(jì)白色線(xiàn)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(chē)后退尋跡無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只有靠轉(zhuǎn)彎來(lái)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(dòng)輪一起實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退尋跡功能，但裝在后輪下方就會(huì)失去更多功能。權(quán)衡利弊，確定讓四傳感器裝在車(chē)底座中央下方一條直線(xiàn)上。 3.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般可以采用兩種方法：由三極管組成的H橋驅(qū)動(dòng)和集成電路驅(qū)動(dòng)。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(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電動(dòng)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(guò)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(dòng)電路。單片機(jī)控制口接L298的四個(gè)輸入控制端IN1,I

11、N2,IN3,IN4。L298的兩個(gè)輸出端OUT1,OUT2接電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)編碼如表1.2所示。 表1.2電動(dòng)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(dòng)車(chē)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(dòng)板 根據(jù)

12、上表可知，只要設(shè)定一塊L298的IN1,IN2,IN3,IN4四個(gè)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(wú)疑是機(jī)器人設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的一個(gè)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?yàn)槭且苿?dòng)的機(jī)器人，所以它的能源需要與自身本體一起移動(dòng)，可充電電池成了最好的選擇。在選擇電池的時(shí)候主要從以下幾個(gè)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(lèi)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(gè)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(dòng)作及底盤(pán)運(yùn)動(dòng)保持相對(duì)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(cuò)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(mǎn)電+13.7V）和一個(gè)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(gè)直流電機(jī)工作。 直流電機(jī)，集成驅(qū)動(dòng)芯片，都會(huì)在電源總線(xiàn)上產(chǎn)生噪聲，對(duì)此采用了在每個(gè)電機(jī)的輸出端接上旁路電容來(lái)消除噪聲。 4 軟件設(shè)計(jì) 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(dòng)作流程圖 4.3 程序思想 4.3.1 底盤(pán)思想 通過(guò)程序控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，即可控制機(jī)器人底盤(pán)的各種運(yùn)動(dòng)，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(chē)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)紅外傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的檢測(cè)，控制機(jī)器人底盤(pán)做相應(yīng)的動(dòng)作。底盤(pán)程序中加入了一種巧妙的算法，在尋跡的過(guò)程中檢測(cè)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(cè)到節(jié)點(diǎn)時(shí)才跳出死循環(huán)；并且在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)處屏蔽節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器，使傳感器能正常檢測(cè)到下一個(gè)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(dòng)作，機(jī)器人的上身共用了9個(gè)直流電機(jī)。 能實(shí)現(xiàn)9個(gè)自由度，基本上能表現(xiàn)出人基本的單間的動(dòng)作。 6 總結(jié) 經(jīng)過(guò)全體隊(duì)員的十多天的努力，我們的機(jī)器人從一個(gè)想法和概念變成了現(xiàn)實(shí)，并走上了舞臺(tái)。在整個(gè)制作過(guò)程中，大部分電路都是我們自己手焊的，所以有時(shí)會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)元件的虛焊會(huì)使我們白白浪費(fèi)很多的時(shí)間去找軟件的錯(cuò)。在動(dòng)作的調(diào)試過(guò)程中因?yàn)橹绷麟姍C(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(shí)一個(gè)動(dòng)作要調(diào)上五，六個(gè)小時(shí)。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(kāi)電路和機(jī)械的支持，電路和機(jī)械更是離不開(kāi)軟件來(lái)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(kāi)始我們便通力協(xié)作，遇到問(wèn)題和困難就一起動(dòng)手，在解決問(wèn)題的過(guò)程中提高了我們分析和解決問(wèn)題的能力，也進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到了電路，機(jī)械和程序之間密不可分的聯(lián)系。 由于沒(méi)在意到電源供電的問(wèn)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(guò)程中，經(jīng)?？梢钥吹皆诠╇娢醋兊那闆r下，已調(diào)好的動(dòng)作變得又不精確。 7 致謝 首先要感謝是電子電氣工程系對(duì)我們機(jī)器人競(jìng)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(ài)、王敬生老師和儲(chǔ)忠老師在整個(gè)制作過(guò)程的鼓勵(lì)和指導(dǎo)。 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（E題）設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告 摘要：本設(shè)計(jì)以單片機(jī)（C8051F005）作為懸掛運(yùn)動(dòng)

17、控制系統(tǒng)的控制核心，整個(gè)系統(tǒng)由中央控制模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、跟蹤檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，可實(shí)現(xiàn)懸掛物體的自行設(shè)定“M”形軌跡運(yùn)動(dòng)，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，圓心任意設(shè)定，直徑為50cm的圓周運(yùn)動(dòng)和軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)等功能?？刂葡到y(tǒng)接收用戶(hù)設(shè)定參數(shù)并進(jìn)行合法性檢驗(yàn)，然后控制物體按要求運(yùn)動(dòng)，同時(shí)用畫(huà)筆畫(huà)出物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。跟蹤檢測(cè)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(xiàn)，控制懸掛物體沿標(biāo)定的任意曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)混合步進(jìn)電機(jī)28BYJ48A和相關(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成，解決了電機(jī)運(yùn)行的同步問(wèn)題。大屏幕的液晶顯示模塊可清晰顯示設(shè)定參數(shù)，實(shí)時(shí)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(dòng)軌

18、跡。 關(guān)鍵詞：智能控制，軌跡跟蹤，液晶顯示屏（LCD），鍵盤(pán) 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(jì)要求 1.1.1基本要求： （1）控制系統(tǒng)能夠

22、通過(guò)鍵盤(pán)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(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度不小100cm，物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠在板上畫(huà)出運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（兩點(diǎn)間直線(xiàn)距離不小于40cm）。 1.1.2發(fā)揮部分 （1）能夠顯示物體中畫(huà)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)示意圖），曲線(xiàn)在測(cè)試時(shí)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)出，線(xiàn)寬1.5cm～1.8 cm，總長(zhǎng)度約50 cm，顏色為黑色；曲線(xiàn)的前一部分是連續(xù)的，

23、長(zhǎng)約30 cm；后一部分是兩段總長(zhǎng)約20 cm的間斷線(xiàn)段，間斷距離不大于1 cm；沿連續(xù)曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的核心，

24、通過(guò)接受外部信息，按照控制算法驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)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(jì)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(dòng)機(jī)步距角小，動(dòng)態(tài)性能好，并能實(shí)現(xiàn)精確定位。 方案1：直流電機(jī)。 使用直流電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。在電機(jī)上安置碼盤(pán)和紅外接收管或霍爾器件，通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)接收到的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和繩子改變的長(zhǎng)度。但此種方法需要半閉環(huán)控制（即需要線(xiàn)位移反饋或速度反饋），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算困難。

25、 方案2：步進(jìn)電機(jī)。 ①反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（variable reluctance,簡(jiǎn)稱(chēng)VR） 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組，步距角可做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。 ②永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（permanent magnet,簡(jiǎn)稱(chēng)PM） 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)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(dòng)機(jī)(hybrid,簡(jiǎn)稱(chēng)HB) 混合式步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)態(tài)性能好，步距角小。 所以我們選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。并選擇與其適配的專(zhuān)用驅(qū)

26、動(dòng)集成芯片L297+L298，L297+L298集驅(qū)動(dòng)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(pán)輸入。 采用優(yōu)良的4*4行列矩陣式鍵盤(pán)，此方法操作簡(jiǎn)單，節(jié)省單片機(jī)資源，且價(jià)格便宜。 方案2：觸摸屏輸入。 通過(guò)觸摸檢測(cè)部件檢測(cè)用戶(hù)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(shí)接收CPU發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行。此方法操作方便，簡(jiǎn)單，但價(jià)格昂貴。 所以選擇方案1。 （4）顯示模塊 本模塊將實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時(shí)顯示物體所在位置的坐標(biāo)并同步顯示物體的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)、耐老化、防潮，對(duì)環(huán)境要求低以及精確可靠、操作簡(jiǎn)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(wú)法顯示運(yùn)動(dòng)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(wú)輻射危險(xiǎn)，以及影像不閃爍等優(yōu)勢(shì)，可視面積大，畫(huà)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(dòng)方向。其優(yōu)點(diǎn)是控制精確，但其對(duì)硬件和軟件的要求都較高，處理起來(lái)困難。 方案2：采用熱探測(cè)器。 熱探測(cè)

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(hào)輸出，且輸出的電信號(hào)與溫度的變化成比例的原理工作的。當(dāng)紅外線(xiàn)被黑線(xiàn)吸收時(shí)，溫度會(huì)減小，電壓變低，而紅外線(xiàn)沒(méi)有被吸收時(shí)，電壓不變，單片機(jī)可以根據(jù)電壓的變化來(lái)判斷路面的狀態(tài)。由于溫度變化是因?yàn)槲諢彷椛淠芰恳鸬?，與吸收紅外輻射的波長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系，即對(duì)紅外輻射吸收沒(méi)有波長(zhǎng)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(hào)輸出，輸出信號(hào)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小（即紅外光還必須滿(mǎn)足一定的波長(zhǎng)范圍），必須滿(mǎn)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(mǎn)足一定的波長(zhǎng)，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(guò)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(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)集成芯片L297+L298。 （3）輸入模塊：采用4*4行列矩陣式鍵盤(pán)。 （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(pán) LCD顯示 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)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(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)述： （1）控制系統(tǒng)能夠通過(guò)4*4鍵盤(pán)輸入物體的運(yùn)動(dòng)形式，例如直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)，自行設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)和軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)?？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(yàn)； （2）在規(guī)定時(shí)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(dòng)并能夠在白板上畫(huà)出物體的運(yùn)動(dòng)軌跡； （3）在規(guī)定的時(shí)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(dòng)； （4）在規(guī)定的時(shí)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)； （5）能夠通過(guò)大屏幕的液晶屏顯示當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)形式以及與其相關(guān)的特定參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示物體中畫(huà)筆所在位置的坐標(biāo)值，并同步顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡； （6）在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)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(gè)光、機(jī)、電一體的綜合設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電子技術(shù)。系統(tǒng)可分為傳感器檢測(cè)部分，智能控制部分，LCD顯示部分和供電部分。 傳感器檢測(cè)部分：系統(tǒng)利用光電傳感器將檢測(cè)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(hào)。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(hào)進(jìn)行邏輯判斷和計(jì)算，控制電機(jī)動(dòng)作，完成懸掛物體的軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)。同時(shí)還可根據(jù)鍵盤(pán)的輸入?yún)?shù)，控制懸掛物體作相應(yīng)的軌跡運(yùn)動(dòng)。 LCD顯示部分：液晶顯示屏（LCD）顯示當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)形式以及與其相關(guān)的設(shè)定參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示物體所在位置的坐標(biāo)值，并同步顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 供電部分：為系統(tǒng)各個(gè)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(jì) 2.2.1 智能控制部分的單元電路設(shè)計(jì) （1） 中央控制模塊電路的設(shè)計(jì) 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(pán)的輸

33、入和軌跡跟蹤模塊的信息，并將輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以控制脈沖的形式來(lái)控制電機(jī)動(dòng)作，從而完成各項(xiàng)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(pán)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(xiàn)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(shí)針?lè)謩e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(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)，所以電機(jī)的選擇至關(guān)重要?，F(xiàn)對(duì)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(duì)物體的拉力等

35、于繞線(xiàn)輪對(duì)繩子的拉力，則算出繩子的最大拉力就可以得到拉力對(duì)繞線(xiàn)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(dòng)機(jī)上的繞線(xiàn)輪直徑為4.9cm，則半徑r=2.45 cm 懸掛物對(duì)繞線(xiàn)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(duì)照電機(jī)手冊(cè)，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(zhǎng)：繞線(xiàn)輪周長(zhǎng)為4.9πcm，發(fā)2050個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。 脈沖步長(zhǎng)= 4.9π2050=0.0075cm。 （3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)

36、計(jì)與實(shí)現(xiàn) 28BYJ48A型步進(jìn)電機(jī)有與其配套的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，低電平，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)； ③ L297的18腳（clk）為脈沖輸入端。每接收一個(gè)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(guò)程： 電機(jī)上5根接線(xiàn)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(gè)脈沖，電機(jī)根據(jù)cw/ccw端的電平，順時(shí)針或者逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)一步，步長(zhǎng)為0.0075cm。 圖2.3電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路 （4）鍵盤(pán)模塊 鍵盤(pán)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(dòng)的標(biāo)志鍵，圓周運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志鍵和軌跡跟蹤標(biāo)志鍵。 設(shè)定直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，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(dòng)，先按下圓周運(yùn)動(dòng)標(biāo)志鍵，圓心坐標(biāo)可以任意設(shè)定，設(shè)定過(guò)程與直線(xiàn)的終點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)定相同。按下自行設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)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(dòng)。確認(rèn)鍵按下后程序開(kāi)始執(zhí)行。清除鍵可以用來(lái)重新設(shè)置運(yùn)動(dòng)形式或坐標(biāo)參數(shù)。整個(gè)鍵盤(pán)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(dòng)的相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計(jì)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(dòng)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(xiàn)，可直接掛在MCU數(shù)據(jù)

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

40、示用戶(hù)設(shè)定的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)坐標(biāo)，右下方實(shí)時(shí)顯示物體所在位置的坐標(biāo)值；左半邊同步顯示直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，右上方會(huì)顯示“圓”的字樣，字樣下方顯示圓心坐標(biāo)和半徑，右下方實(shí)時(shí)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(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。其他運(yùn)動(dòng)時(shí)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(cè)部分的單元電路設(shè)計(jì) 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(dòng)。為了使物體能在特定的黑色軌跡上運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)需要將軌跡的狀態(tài)及時(shí)的以電信號(hào)的形式反饋到控制部分，控制部分控制電機(jī)相應(yīng)的動(dòng)作，使物體一直沿著黑色軌跡運(yùn)動(dòng)。 圖2.5

41、為紅外光電傳感器具體的電路圖。 傳感器工作過(guò)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(shí)，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(gè)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(xiàn)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(duì)軌跡狀態(tài)的檢測(cè)有至關(guān)重要的影響。安裝時(shí)應(yīng)該讓傳感器檢測(cè)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(dòng)。 如圖2.6所示，物體上安裝五個(gè)紅外傳感器，成上、下、左、右和正中的十字交叉形陣列，實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)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(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到軌跡（當(dāng)五個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到軌跡時(shí)無(wú)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(shí)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(wú)法判斷），即n<1.7cm，又因?yàn)閭鞲衅髯陨黹L(zhǎng)度為0.4 cm，所以我們選擇a，b，c，d四個(gè)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(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，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(cè)效果最好，是檢測(cè)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(cè)的輸出信號(hào)數(shù)據(jù)，來(lái)控制懸掛物體沿給定軌跡運(yùn)動(dòng)。根據(jù)+Y走向（向上運(yùn)動(dòng)）和-Y走向（向下運(yùn)動(dòng)）不可能同時(shí)有效，+X走向（向右運(yùn)動(dòng)）和-X走向（向左運(yùn)動(dòng)）也不可能同時(shí)有效，但 +Y和-X，+Y和+X，-Y和-X，-Y和+X走向可以同時(shí)有效的思想，來(lái)實(shí)現(xiàn)全方位軌跡跟蹤的。 ① 設(shè)定運(yùn)動(dòng)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(dòng)方向有效，為“0”表示相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方向無(wú)效。bitup和bitdown，bitleft和

45、bitright不能同時(shí)有效，最先檢測(cè)到黑色軌跡傳感器則設(shè)定該方向的運(yùn)動(dòng)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(wú)效時(shí)，清除該方向的運(yùn)動(dòng)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(kāi)始位置，保證中心傳感器和一方向傳感器在軌跡上。開(kāi)始跟蹤，系統(tǒng)檢測(cè)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(dòng)一步（物體運(yùn)動(dòng)一步是指物體移動(dòng)0.1cm，以下相同），同時(shí)再檢測(cè)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(dòng)一步，再檢測(cè)e傳感器，若中心傳感器e的檢測(cè)狀態(tài)為

46、0，判斷方向傳感器的檢測(cè)狀態(tài)也為0時(shí)，原方向退回二步（因?yàn)檐壽E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(guò)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(shí)，說(shuō)明物體正處在間斷軌跡上，這時(shí)繼續(xù)向此方向走動(dòng)12步（1.2 cm，大于間斷曲線(xiàn)之間的距離1 cm），若中心傳感器的檢測(cè)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(cè)到任何狀態(tài)，當(dāng)所有方向傳感器都檢測(cè)不到任何有效信息時(shí)，判斷軌跡跟蹤結(jié)束。 2.2.3 供電部分的設(shè)計(jì) 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(guò)變壓器變換成交流電壓14V，經(jīng)過(guò)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(guò)流、過(guò)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(gè)5.1K的電位器。

48、 圖2.7系統(tǒng)電源電路圖 3.軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用高級(jí)語(yǔ)言，C語(yǔ)言編寫(xiě)的，對(duì)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，程序是在Windows 2000環(huán)境下采用 Keil uVision 2軟件編寫(xiě)的，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)紅外傳感器的查詢(xún)、電機(jī)方向的確定等功能。 電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)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(zhǎng)度，右邊電機(jī)控制L2的長(zhǎng)度，通過(guò)電動(dòng)機(jī)順時(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)放線(xiàn)或者收線(xiàn)（跟繞線(xiàn)方向有關(guān)），以此改變L1和L2的長(zhǎng)度。當(dāng)X方向或Y方向改變了一個(gè)單位長(zhǎng)度，通過(guò)上述關(guān)系式得到L1和L2的值，與未運(yùn)動(dòng)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(dòng)作。根據(jù)此數(shù)學(xué)模型，有兩種算法可以實(shí)現(xiàn)物體的運(yùn)動(dòng)。 （1）

50、逐點(diǎn)比較法 原理：計(jì)算機(jī)在控制加工過(guò)程中，能逐點(diǎn)的計(jì)算和判別加工誤差與規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行比較，由比較結(jié)果決定下一步的移動(dòng)方向。 特點(diǎn)：運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)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(xiàn)示意圖 A C B O 工作節(jié)拍：偏差 判別 進(jìn)給 x 直線(xiàn)上方（點(diǎn)Ａ），直線(xiàn)上（Ｂ點(diǎn)），直線(xiàn)下方（點(diǎn)Ｃ）。顯然，在點(diǎn)Ａ處，為使物體向輪廓直線(xiàn)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(lái)兩個(gè)方向均可以，但考慮編程時(shí)的方便，現(xiàn)規(guī)定往＋Ｘ向走一步。 Ｆ＝ＸeＹ－ＸＹe為原始的偏差計(jì)算公式（Ｘ，Ｙ為當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)動(dòng)態(tài)坐標(biāo); Ｘe,Ｙe為終點(diǎn)坐標(biāo)），Ｆ稱(chēng)為偏差，每走一步到達(dá)新位置點(diǎn)，就要計(jì)算相應(yīng)的Ｆ值。 顯然，Ｆ≥0時(shí)，須＋X向走一步；Ｆ＜0時(shí)，須＋Ｙ向走一步。為方便編程和提高計(jì)算速度，現(xiàn)對(duì)偏差Ｆ的計(jì)算公式加以簡(jiǎn)化： 插補(bǔ)點(diǎn)位于Ａ、Ｂ點(diǎn)時(shí)，走完下一步（＋Ｘ）， 動(dòng)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(gè)公式比Ｆ＝ＸeＹ－ＸＹe計(jì)算要方便。 因此：走完＋Ｘ后：偏差計(jì)算公式為Ｆn＝Ｆ－Ｙe

52、； 走完＋Ｙ后：偏差計(jì)算公式為Ｆn＝Ｆ＋Ｘe。 基本軟件流程圖如圖3.3所示： 開(kāi)始 偏差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)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(lái)近似輪廓曲線(xiàn)函數(shù)積分的整個(gè)面積。 物理意義：使動(dòng)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(gè)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(guò)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(gè)脈沖當(dāng)量的位移量。 經(jīng)過(guò)比較，逐點(diǎn)比較法簡(jiǎn)單、直觀，所以選用逐點(diǎn)比較法來(lái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)形式。 3.1直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 由上述分析，我們采用逐點(diǎn)比較法實(shí)現(xiàn)物體的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)從鍵盤(pán)輸入直線(xiàn)的終點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，根據(jù)算法對(duì)單片機(jī)編程，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)懸掛物體的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)，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(xiàn)的運(yùn)動(dòng)形式

54、 程序流程圖如圖3.5所示： 其中，直線(xiàn)的起點(diǎn)坐標(biāo)：（x0,y0），終點(diǎn)坐標(biāo)：（x1,y1），實(shí)時(shí)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(xiàn)流程圖 3. 2自行設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng) 在平面內(nèi)自行設(shè)定任意軌跡運(yùn)動(dòng)。我們?cè)O(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(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向，完成折線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)。且設(shè)定兩邊長(zhǎng)度為42.5 cm，中間兩段長(zhǎng)度36cm，整個(gè)路程長(zhǎng)159 cm，大于題目要求的100 cm，程序中調(diào)用4段直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)即可。 3. 3 圓周運(yùn)動(dòng) 方法1：我們已經(jīng)知道，一個(gè)圓周可以分成若干段圓弧，可以利用圓弧的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)。每段圓弧可通過(guò)逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法來(lái)實(shí)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(duì)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(xiàn)外面（點(diǎn)Ａ），輪廓線(xiàn)上（Ｂ點(diǎn)），輪廓線(xiàn)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(lái)兩個(gè)方向均可以，但考慮編程時(shí)的方便，現(xiàn)規(guī)定往－Y向走一步。原始的偏差計(jì)算公式為：F＝Ｘ2＋Y2－R2（X，Y為當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)）。 顯然，Ｆ＜0時(shí)，須+Ｘ向走一步；F≥0時(shí)，須-Y向走一步。為方便編程和提高計(jì)算速度，對(duì)偏差Ｆ的計(jì)算公式加以簡(jiǎn)

58、化： 插補(bǔ)點(diǎn)位于Ａ、Ｂ點(diǎn)時(shí)，走完下一步（－Y）， 動(dòng)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(shí)，走完下一步（＋X）， 動(dòng)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(jì)算公式為Fn＝F－2Y＋１， 動(dòng)態(tài)坐標(biāo)修正為Y＝Y(jié)－１； 走完＋X后：偏差計(jì)算公式為Fn＝F＋2X＋１， 動(dòng)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(shí) 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(gè)點(diǎn)組成，再按順序把點(diǎn)連接起來(lái)，即可獲得圓周的軌跡，取的點(diǎn)越多，物體的運(yùn)動(dòng)軌跡越接近圓。如下圖所示， 我們以8個(gè)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(shí)針畫(huà)圓, 并設(shè)A點(diǎn)為起始點(diǎn)，則物體可按逆時(shí)針從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn) A B H C G D F E 計(jì)算公式如下： A(x0,y0+r0)： L1(A)= L2(A)= 對(duì)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(jì)算均可按照通式: L1()= L2()= 來(lái)進(jìn)行。 為了減小誤差必須增加所取點(diǎn)數(shù)，這樣計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)順圓，逆圓和所處位置不同來(lái)考慮。 (x0,y0) R0

62、 Y Ⅲ Ⅱ Ⅰ Ⅳ X 我們所畫(huà)的是順圓，逆圓流程圖與其相似，只是X，Y方向的動(dòng)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(dòng)方向和傳感器狀態(tài)判斷走向 物體總體運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(pán)子程序：

65、任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)，并能對(duì)輸入數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行校驗(yàn)。 液晶顯示子程序：實(shí)時(shí)顯示物體所在位置坐標(biāo)值并同步顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 光指示子程序：按下確認(rèn)鍵物體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)亮發(fā)光二極管；物體停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，熄滅發(fā)光二極管。 4.系統(tǒng)測(cè)試 為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。 4.1測(cè)試儀器設(shè)備 測(cè)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(hào) 名稱(chēng),型號(hào),規(guī)格 數(shù)量 備注 1 數(shù)字示波器 1 Tektronix TDS2012 泰克科技（中國(guó)）有限公司 2 秒表精度0.01s 1 上海秒表廠 3 軟尺最大測(cè)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(wàn)用表 1 優(yōu)利得有限公司 4.2 測(cè)試方法和結(jié)果 （1）鍵盤(pán)輸入 測(cè)試方法：手動(dòng)任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)。 測(cè)試結(jié)果：鍵盤(pán)輸入情況如表4.2所示，單位：cm 表4.2 鍵盤(pán)輸入的測(cè)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(dòng) 我們選定的軌跡為“M”字樣的軌跡。 測(cè)試方法： 執(zhí)行時(shí)間T：前面已經(jīng)提及，當(dāng)確認(rèn)鍵按下后，物體開(kāi)始按要求運(yùn)動(dòng)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，點(diǎn)亮瞬間開(kāi)始計(jì)時(shí)，物體停止運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)光二極管熄滅，熄滅瞬間停止計(jì)時(shí)。 則此種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行時(shí)間T = 二極管的點(diǎn)亮?xí)r間； 測(cè)試結(jié)果：預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)測(cè)試情況如表4.3所示： 表4.3自行設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)的測(cè)試 第一次 第