摘要：以低功耗MSP430F449單片機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)為控制核心，由步進(jìn)電機(jī)控制模塊、紅外傳感和人機(jī)交互3個(gè)功能部分組成。由MSP430F449實(shí)現(xiàn)相應(yīng)算法產(chǎn)生不同狀態(tài)的PWM波，以控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)畫筆的控制。系統(tǒng)可通過鍵盤任意設(shè)置坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù);控制質(zhì)量大于100g的物體在仰角不大于100°的80 cmx100 cm白板上做自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)，并在白板上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡;控制物體沿白板上按標(biāo)出的任意黑色間斷曲線運(yùn)動(dòng)。畫筆坐標(biāo)點(diǎn)及各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在LCD上，人機(jī)界面友好。
在現(xiàn)代的車輛運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制等系統(tǒng)中，懸掛運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，在這些系統(tǒng)中懸掛運(yùn)動(dòng)部件通常是具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因而懸掛部件的運(yùn)動(dòng)精確性是整個(gè)系統(tǒng)工作效能的決定因素，因而實(shí)際實(shí)現(xiàn)懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精確控制具有極其重大的現(xiàn)實(shí)意義。本系統(tǒng)采用低功耗MSP430F449單片機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用高效的PWM電路，提高電源利用率;紅外傳感檢測(cè)，提高糾錯(cuò)能力。由單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)有精確步距的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)懸掛部件在平面上做特定的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)。
1 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1.1 電機(jī)選取
方案①：直流電機(jī)。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，帶負(fù)載能力強(qiáng);缺點(diǎn)是不能精確地控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
方案②：步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，具有較強(qiáng)的快速啟停能力。步進(jìn)角方面，選用的三相六拍式步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)轉(zhuǎn)角最小可以達(dá)到1.5°，可以滿足系統(tǒng)控制精度要求。并且可以通過對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的精確控制。
方案③：使用伺服電機(jī)，伺服電機(jī)是一種內(nèi)帶編碼盤，可以通過驅(qū)動(dòng)器精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度(0.001°級(jí)別)，而且過載能力強(qiáng)，常用于精密控制，但其驅(qū)動(dòng)電壓一般較高，體積較大，在本題目的實(shí)現(xiàn)上并不適用。
綜上所述，選擇方案②。采用步進(jìn)電機(jī)。
1. 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇
方案①：使用分立元件搭建。利用大功率三極管放大功率給步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電壓和電流。但本實(shí)驗(yàn)對(duì)功率要求較大，精度有限。
方案②：集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。集成驅(qū)動(dòng)塊能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，其內(nèi)部加入了光耦隔離器將控制電路與驅(qū)動(dòng)電路完全隔離，防止了電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)對(duì)控制電路造成影響。并且其只需要兩三根線便實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制，控制相當(dāng)簡(jiǎn)單。
綜上所述，由于本系統(tǒng)需盡量采用高性能的驅(qū)動(dòng)電路以保證步進(jìn)電機(jī)良好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，故選擇方案②。
1.3 循跡傳感器選擇
方案①：發(fā)光二極管和光敏二極管組成發(fā)射-接收電路。發(fā)光二極管為可見光，故光敏二極管的工作受外界光照影響很大，很容易造成誤判和漏判。
方案②：反射式紅外發(fā)射-接收器。采用紅外對(duì)管替代普通可見光管，能極大地降低環(huán)境光源的影響。并且，紅外線波長(zhǎng)大，近距離衰減小，故探測(cè)近距離黑線更加可靠。
綜上，選擇方案②，采用發(fā)射時(shí)紅外傳感器ST188。
1. 4 畫線算法
方案①：DDA算法。根據(jù)直線起始坐標(biāo)得出斜率。取合適的步進(jìn)量，根據(jù)斜率得出直線上每點(diǎn)的坐標(biāo)，直接計(jì)算出兩側(cè)電機(jī)步數(shù)，控制畫筆畫線。該算法簡(jiǎn)單易行。
方案②：Bresenham微元算法。該算法只做整數(shù)加/減運(yùn)算和乘2運(yùn)算，運(yùn)算速度很快，適于用硬件實(shí)現(xiàn)。
本系統(tǒng)采用軟件實(shí)現(xiàn)算法，故選擇方案①。
1.5 畫圓算法
方案①：圖形掃描Bresenham算法。該算法采用直角坐標(biāo)系，但畫圓時(shí)采用該坐標(biāo)系算法不夠清晰。
方案②：用自行設(shè)計(jì)的極坐標(biāo)法。極坐標(biāo)法公式簡(jiǎn)單，算法清晰。運(yùn)算速度較快，完全能達(dá)到要求。
故選擇方案②。
