基于雙AVR單片機的懸掛物體尋跡控制系統
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歷屆全國電子設計競賽的題目可以分為電源類(lèi)、信號源類(lèi)、無(wú)線(xiàn)電類(lèi)、放大器類(lèi)、儀器儀表類(lèi)、數據采集與處理類(lèi)和自動(dòng)控制類(lèi),在2005年全國大學(xué)生電子設計競賽中,懸掛物體控制系統就是一道典型的自動(dòng)控制類(lèi)賽題。本文著(zhù)重介紹一種基于雙單片機的懸掛物體沿板上標出的任意曲線(xiàn)運動(dòng)的控制系統方案。
1系統設計要求和設計思路
題目要求控制物體沿板上標出的任意曲線(xiàn)運動(dòng),如圖1所示。曲線(xiàn)在測試時(shí)現場(chǎng)標出,線(xiàn)寬1．5cm～1．8cm,總長(cháng)度約50cm,顏色為黑色;曲線(xiàn)的前一部分是連續的,長(cháng)約30cm;后一部分是兩段總長(cháng)約20cm的間斷線(xiàn)段,間斷距離不大于1cm;沿連續曲線(xiàn)運動(dòng)限定在200s內完成,沿間斷曲線(xiàn)運動(dòng)限定在300s內完成。
根據題目的要求,系統主要實(shí)現黑線(xiàn)和斷點(diǎn)檢測、懸掛物體運動(dòng)控制等功能。為了說(shuō)明系統可以實(shí)現任意曲線(xiàn)、任意方向的尋跡,以圓形軌跡作為尋跡對象。尋跡原理如圖2所示。
懸掛物體初始點(diǎn)a的坐標由鍵盤(pán)輸入,初始時(shí)刻安裝紅外探頭,由微型步進(jìn)電機控制的搖臂處于水平位置。系統啟動(dòng)后,微型步進(jìn)電機驅動(dòng)搖臂順時(shí)針旋轉,最大轉角為180°。紅外探頭的運動(dòng)軌跡與黑色圓弧會(huì )有一個(gè)交點(diǎn)b,并記錄步進(jìn)電機轉動(dòng)的角度。通過(guò)系統起始點(diǎn)a的坐標和步進(jìn)電機轉動(dòng)的角度,可求得運動(dòng)控制下一點(diǎn)b的坐標。求得b點(diǎn)坐標后,控制懸掛物體向該點(diǎn)作直線(xiàn)運動(dòng),同時(shí)搖臂作逆時(shí)針旋轉90°,以保證下一個(gè)檢測交點(diǎn)在其180°搜索范圍內。若搖臂旋轉180°,仍沒(méi)有交點(diǎn),則認為曲線(xiàn)在此處有斷點(diǎn),系統控制懸掛物體按原方向繼續前進(jìn)一個(gè)步長(cháng),再次進(jìn)行掃描,以求得下一個(gè)檢測點(diǎn)的位置。若懸掛物體偏離軌跡,如圖2中c點(diǎn)的位置,系統也可通過(guò)下一個(gè)點(diǎn)的檢測讓?xiě)覓煳矬w自動(dòng)回復到軌跡點(diǎn),因此,本方法可有效糾正軌跡偏差,實(shí)現尋跡控制的能力。 2 系統方案設計
懸掛物體運動(dòng)控制系統的基本方案方框圖如圖3所示,系統主要由控制模塊、黑線(xiàn)檢測模塊和通信模塊組成。其中,控制模塊由atmega128l單片機最小系統1、鍵盤(pán)輸入電路、液晶顯示電路和步進(jìn)電機驅動(dòng)電路組成;檢測模塊由atmega128l單片機最小系統2、紅外線(xiàn)反射電路和微步進(jìn)電機驅動(dòng)電路組成。
黑線(xiàn)檢測模塊中的單片機系統控制微型步進(jìn)電機,帶動(dòng)裝有紅外探頭的搖臂巡回擺動(dòng),檢測板上的黑線(xiàn),得出微型步進(jìn)電機的轉動(dòng)角度。角度數據經(jīng)過(guò)編碼后,通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送給控制模塊單片機系統?？刂颇K中的單片機系統接收到角度數據后．進(jìn)行數據校驗。若數據準確,則通過(guò)控制步進(jìn)電機驅動(dòng)電路控制懸掛物體從當前坐標沿轉動(dòng)角度移動(dòng)固定距離,然后,向檢測模塊發(fā)出下一輪檢測命令;若數據傳輸有誤,則向檢測模塊發(fā)出數據重發(fā)命令,等待下一輪角度數據接收。
3 硬件設計
3．1 atmega128l單片機最小系統
單片機是整個(gè)懸掛物體運動(dòng)控制系統的核心,控制系統所有電路。本系統采用atmel公司的atmega128l單片機,有如下特點(diǎn)：
①工作電壓為2．7～5．5 v,可承受的電壓波動(dòng)范圍較大,可有效克服由于模塊內的微型步進(jìn)電機導致的電源電壓不穩定所帶來(lái)的干擾,使系統能在一個(gè)較寬的電平范圍內正常工作。
②片內資源豐富。atmega128l存儲器容量大,有128 kb flash,4 kb e2prom和4 kb ram,可以滿(mǎn)足系統復雜的運算和一定量的數據存儲要求;53個(gè)i／o端口,可滿(mǎn)足系統多傳感輸入和多控制輸出端口要求;i／o口具有大電流輸出的特點(diǎn),驅動(dòng)能力強;內置看門(mén)狗,提高系統的抗干擾能力。
③可在線(xiàn)編程,方便系統的凋試。
3．2紅外線(xiàn)反射電路
采用帶脈沖調制功能的紅外線(xiàn)反射傳感器檢測黑線(xiàn)軌跡,電路如圖4所示。電路中鎖相音頻譯碼器lm567既作為紅外線(xiàn)發(fā)射部分的信號發(fā)生電路,也作為接收部分的檢測電路,只有檢測到的輸入信號的頻率和本身的鎖相中心頻率相同時(shí),才使輸出端為低電平。該電路容易濾除外界干擾,電路的穩定性和抗干擾能力強,同時(shí)可以調節譯碼器不同的中心頻率,使得在同一設備使用多個(gè)紅外線(xiàn)傳感器而不會(huì )相互干擾。
3．3步進(jìn)電機驅動(dòng)電路
控制系統中的電機采用vexta公司的px245-01a步進(jìn)電機,額定電壓4 v,靜態(tài)電流1．2 a,步距角1．8°。步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路如圖5所示。達林頓管起功率放大作用,增強步進(jìn)電機的驅動(dòng)能力。電路中使用光電耦合器將控制和驅動(dòng)信號加以隔離,有效降低外部干擾對系統的影響,提高系統的可靠性。
3．4輸入與顯示電路
本設計采用4×4矩陣掃描非編碼鍵盤(pán)方式實(shí)現懸掛物體初始點(diǎn)坐標輸入和控制命令輸入。系統控制參數和懸掛物體運行軌跡圖可在點(diǎn)陣式液晶lcd12864顯示。
3．5無(wú)線(xiàn)通信模塊
本沒(méi)計采用無(wú)線(xiàn)modem rf2000實(shí)現系統檢測模塊與系統控制模塊之間數據和命令的雙向傳輸,電路如圖6所示。rf2000采用nordic公司的nrf401芯片,采用抗干擾能力強的fsk調制方式,可以通過(guò)txen引腳控制收發(fā)方式。無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中,容易受到外界電磁波和步進(jìn)電機轉動(dòng)產(chǎn)生的電磁干擾,而出現較高的誤碼率。為確保數據傳輸的可靠性,本設計通過(guò)編碼加強系統的糾錯能力。數據或命令以8位數據,即一個(gè)字節進(jìn)行編碼,并分為高4位和低4位進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。以低4位數據的傳輸為例。其發(fā)送的數據結構各位的定義格式如下：
該傳輸進(jìn)行了兩級誤碼校驗。do～d3是傳輸數據的低4位數據,d4～d6置o,d7為低4位數據的crc檢驗。
4 軟件設計
系統中懸掛物體尋跡采用雙單片機控制方案,黑線(xiàn)檢測模塊和懸掛物體控制模塊各自具有單片機系統,通過(guò)通信模塊實(shí)現協(xié)同控制,完成懸掛物體尋跡任務(wù)。黑線(xiàn)檢測程序流程和控制模塊程序流程分別如圖7和圖8所示,通信誤碼校正流程如圖9所示。
5 測試方法與結果
為了使懸掛物體可以沿任意曲線(xiàn)運動(dòng),本系統采用圓周曲線(xiàn)作為測試途徑。圓周曲線(xiàn)包含4個(gè)方向的轉折點(diǎn),具有一定的代表性,圓周直徑為30 cm,圓周長(cháng)約94 cm,大于設計要求的80 cm。測試結果如表2所列。
結語(yǔ)
本設計以2片atmega128l單片機分別為黑線(xiàn)檢測和懸掛物體運動(dòng)控制的核心,仿照雷達掃描跟蹤系統,利用微型步進(jìn)電機和紅外線(xiàn)傳感器進(jìn)行黑線(xiàn)的掃描跟蹤,實(shí)現系統的連續黑線(xiàn)和斷續黑線(xiàn)尋跡。黑線(xiàn)檢測和運動(dòng)控制兩個(gè)核心通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊實(shí)現檢測數據和控制命令的相互通信。測試結果表明,本系統控制精度高,響應時(shí)間短,具有較強的斷線(xiàn)尋跡能力。
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