2015年全国大学生电子设计竞赛论文X题：悬挂运动控制系统2015年8月15日悬挂运动控制系统（E题）摘要本设计使用AT89S52单片机作为悬挂运动控制系统的核心，硬件电路包含液晶显示和键盘处理模块，步进电机驱动模块，黑线循迹检测模块，数据传输模块等几部分。

液晶显示屏负责显示系统状态和控制命令，调试时还可以方便的显示每个红外传感器的状态；键盘接收输入的控制指令；电机驱动采用脉宽调制技术，可灵活方便地控制两个步进电机；反射式红外传感器模块在循迹时检测引导黑线；数据传输模块上的AT89C2051单片机将红外传感器状态信息通过串行口传送至AT89S52控制核心，使之能根据程序算法驱动两个步进电机带动悬挂物按要求运动并同时显示各种状态数据。

关键词：步进电机，脉宽调制，红外传感器，循迹，算法AbstractIn this design,the control kernel of this hanging movement system is based on a MCU chip AT89S52.The hole hardware circuit is composed of the following modules:LCD display and keyboard module,step motors drive module,track detecting module and data transfer module.The LCD displays system status,command and also the status of infrared sensors when debugging.The keyboard receives user’s command.The motors drive module adopts PWM technology to control motors’ status flexibly and conveniently.The reflecting infrared sensors detect black lines when tracking.The AT89C2051 on the data transfer module transfers data to AT89S52 through UART so as to make motors work properly according to program algorithm and display status data needed.Keywords: step motor，PWM，infrared sensor，tracking，algorithm一、方案论证及比较1、电机的选择和论证方案一：采用普通直流电机。

普通直流电机在合理范围内加不同的直流工作电压就有不同的转速，易于实现无级调速，功耗较低，转速变化平滑，但制动和正反转控制不够灵活且响应慢，转换精度不高。

方案二：采用矢量控制的交流电机。

基于坐标交换的交流电机矢量控制使交流电机调速达到并超过传统的直流电机调速性能；直接转矩控制（DTC）的交流电机调速控制具有DTC与脉宽调制PWM技术并用以及转矩响应快等优点。

但电机本身难于购置，其驱动对本设计而言也过于复杂。

方案三：采用步进电机。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差，而且步进电机有转换精度高，并能快速启停和正反转的特点，使得步进电机非常适合在各控制领域使用。

方案四：采用直流齿轮电机。

直流齿轮电机转速平缓、负载能力强、正反转灵活。

但是转换精度很难满足要求。

因此，根据需要，我们选择了方案三，采用步进电机。

2、电机驱动方案的选择和论证步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，因此非常适合于单片机驱动，驱动基本原理为：(1) 控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。

例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,D相的通断。

(2) 控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

(3) 控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。

两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。

调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

步进电机驱动方案设计的重点在于对电机的控制和驱动，本设计中受控电机为四相六线制步进电机，具有功率大，步进角小的优点。

方案一：使用多个功率放大器驱动电机。

通过不同的放大电路和不同参数的器件，达到不同的放大要求，放大后能够得到较大的功率。

但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，放大电路参数很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行不稳定，而且电路的制作也比较复杂。

方案二：使用L298N芯片驱动电机。

L298N可以驱动两个二相电机，或驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

但是我们在本地没有买到此芯片。

方案三：使用数字电位器和三极管驱动步进电机。

但数字电位器的价格昂贵，外界干扰大，整体驱动能力弱。

方案四：采用继电器进行电机调速，单片机通过调整继电器开关的速度从而实现对电机的速度的调整。

这种电路虽然简单，但是继电器是机械触点，反应速度慢，工作电流大，可靠性差。

方案五：使用分立元件H型PWM电路。

该电路每个电机由四个大功率达林顿晶体管TIP122驱动，分为两组，交替导通或截止。

用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，轮流给四路驱动脉冲，通过调整输入脉冲的占空比来调整电机转速，这种电路工作稳定，效率高，反应速度快，是广泛采用的PWM调速技术。

通过比较，我们选用了方案五，并且将控制电路和驱动功率管用光耦进行隔离，进一步提高了电路的稳定性。

3、物体运动距离检测的选择和论证方案一：采用霍耳元件芯片。

这种芯片内部由三片霍耳元件组成，在滑轮的边缘处安装磁片，当磁铁正对金属板时，由于霍耳效应，可以产生电流的变化，对此脉冲加以判断，通过对脉冲的计数进行距离检测。

但是此种方法由于本设计的滑轮很小，安装十分困难，并且监测的精度不够高。

图1-1 用电阻丝和A/D转换进行距离监测方案图方案二：采用电阻丝和A/D转换进行距离监测。

原理如图1-1，把直径均匀，电阻率较大的电阻丝接在电源上，则电阻丝的一端到另一端的电压是逐级变化的，把滑动接触探头P固定在细线上使之随细线上下滑动并把采集到的电压传送给A/D转换器，A/D转换器再把采集到的模拟电压信号转换成数字信号并传给单片机进行数据处理。

此方案虽然可以实时监测细线运动的长度，但程序烦琐，硬件安装十分困难，测量精度不够并且很容易受各种外界环境的影响。

方案三：采用光电码盘进行检测。

把光电码盘固定在滑轮的轴上，滑轮的转动带动光码盘转动，码盘上有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接收光敏器件接收。

用计数器对光敏器件输出的脉冲进行计数并换算成距离。

这种方案同样安装困难，效果差强人意。

方案四：检测步进电机转动的圈数再根据电机直径换算成运动距离。

此方法实现方便，经过多次实际测量证明此方案可以很好的达到题目的要求，误差也可以控制在要求之内，效果很好。

基于以上分析，我们选定方案四。

4、循迹黑线检测方案的选择和论证循迹黑线检测的基本原理是：光线照射到板面并反射，黑线和白纸对光的反射系数不同，所以可以根据接收到的反射光的强弱来判断黑线。

可实现的方案有以下几种：方案一：采用光敏三极管和发光二极管组成的发射接收方案，如图1-2。

该方案在实际使用时，受外界光线的影响大，一旦外界光强改变就很容易漏判和误判。

虽然可加大发光二极管的亮度减弱外界光的干扰，但是效果仍然不佳并增加了系统的功耗。

图1-2 发光二极管和光敏三极管检测黑线电路图方案二：使用反射式红外线收发器。

采用红外线收发器可大幅度减少外界光线干扰。

在试验中，我们发现它对黑白、深浅色物体检测效果很好，反应速度很快并且灵敏度可调。

此方案具有受外界光线干扰小，外围电路简单，反应速度快等诸多优点。

方案三：采用CCD摄像头把黑线的信息收集起来再用单片机对其分析处理，此种方法对路面信息处理准确，但是成本高，对硬件和软件的要求很高，短时间内很难完成制作。

比较以上方案，方案二更适合本系统，其电路简单、功耗小、软件也易于实现，因此选择方案二。

在具体实施过程中考虑到此检测电路必须安装在移动的悬挂物体上，为进一步增加检测的抗干扰能力，我们还加入了施密特触发器74HC14进行整形。

5、电源方案的选择和论证方案一：采用电池组供电。

但本设计的步进电机功耗较大，随着系统运行时间的增加，电池的电量会很快减少，很快将影响整个系统的正常工作。

方案二：采用单组稳压电源供电。

用一组稳压电源作为整个系统的电源，电机驱动和控制模块共用一个电源。

这样虽然电源的接口简单但是由于电机功耗较大，启停、正反转的瞬间电流更大，必将影响系统的正常工作。

方案三：采用两组稳压电源供电。

用两组独立电源分别给电机驱动和单片机单独供电。

这样可以将电机转动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。

综上所述我们采用方案三。

6、显示模块的选择和论证方案一：采用八位LED数码管显示。

此方案软件简单，但是LED数码管耗电量大，驱动它们所需的单片机I/0口太多，并且只能显示有限的数字和字符，不能满足题目的要求。

方案二：采用VFD荧光显示。

此种显示响应速度快，字符明亮美观，无需背光，但需要负高压偏压，电路驱动复杂，同样显示的字符数有限。

方案三：采用点阵LCD液晶显示。

此方案耗电量小，能节省单片机很多资源，同时又可以显示各种文字或数字，能提供良好的人机交互界面。

考虑到尽量节省能源，显示内容尽量丰富，以及单片机的资源有限等问题，选择方案三。

7、数据传输模块的选择和论证循迹时需要将和悬挂物固定在一起的红外线探头检测到的循迹数据及时传回控制中心AT89S52，以便能及时控制步进电机带动悬挂物准确循迹。

传送此数据有以下几个方案：方案一：采用无线数据传输。

将发射电路置于悬挂物上，接收电路置于主控板上。

它们之间无线传输数据。