來源：單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用   作者：俞龍 黃家能等

歷屆全國電子設(shè)計競賽的題目可以分為電源類、信號源類、無線電類、放大器類、儀器儀表類、數(shù)據(jù)采集與處理類和自動控制類，在2005年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，懸掛物體控制系統(tǒng)就是一道典型的自動控制類賽題。本文著重介紹一種基于雙單片機(jī)的懸掛物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運(yùn)動的控制系統(tǒng)方案。

1系統(tǒng)設(shè)計要求和設(shè)計思路

題目要求控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運(yùn)動，如圖1所示。曲線在測試時現(xiàn)場標(biāo)出，線寬1．5cm～1．8cm，總長度約50cm，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，長約30cm；后一部分是兩段總長約20cm的間斷線段，間斷距離不大于1cm；沿連續(xù)曲線運(yùn)動限定在200s內(nèi)完成，沿間斷曲線運(yùn)動限定在300s內(nèi)完成。

 
根據(jù)題目的要求，系統(tǒng)主要實現(xiàn)黑線和斷點(diǎn)檢測、懸掛物體運(yùn)動控制等功能。為了說明系統(tǒng)可以實現(xiàn)任意曲線、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(biāo)由鍵盤輸入，初始時刻安裝紅外探頭，由微型步進(jìn)電機(jī)控制的搖臂處于水平位置。系統(tǒng)啟動后，微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動搖臂順時針旋轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)角為180°。紅外探頭的運(yùn)動軌跡與黑色圓弧會有一個交點(diǎn)B，并記錄步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。通過系統(tǒng)起始點(diǎn)A的坐標(biāo)和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，可求得運(yùn)動控制下一點(diǎn)B的坐標(biāo)。求得B點(diǎn)坐標(biāo)后，控制懸掛物體向該點(diǎn)作直線運(yùn)動，同時搖臂作逆時針旋轉(zhuǎn)90°，以保證下一個檢測交點(diǎn)在其180°搜索范圍內(nèi)。若搖臂旋轉(zhuǎn)180°，仍沒有交點(diǎn)，則認(rèn)為曲線在此處有斷點(diǎn)，系統(tǒng)控制懸掛物體按原方向繼續(xù)前進(jìn)一個步長，再次進(jìn)行掃描，以求得下一個檢測點(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(tǒng)也可通過下一個點(diǎn)的檢測讓懸掛物體自動回復(fù)到軌跡點(diǎn)，因此，本方法可有效糾正軌跡偏差，實現(xiàn)尋跡控制的能力。
2 系統(tǒng)方案設(shè)計

懸掛物體運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本方案方框圖如圖3所示，系統(tǒng)主要由控制模塊、黑線檢測模塊和通信模塊組成。其中，控制模塊由ATmega128L單片機(jī)最小系統(tǒng)1、鍵盤輸入電路、液晶顯示電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路組成；檢測模塊由ATmega128L單片機(jī)最小系統(tǒng)2、紅外線反射電路和微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路組成。

黑線檢測模塊中的單片機(jī)系統(tǒng)控制微型步進(jìn)電機(jī)，帶動裝有紅外探頭的搖臂巡回擺動，檢測板上的黑線，得出微型步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。角度數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后，通過無線傳輸模塊發(fā)送給控制模塊單片機(jī)系統(tǒng)�？刂颇K中的單片機(jī)系統(tǒng)接收到角度數(shù)據(jù)后．進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗。若數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，則通過控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路控制懸掛物體從當(dāng)前坐標(biāo)沿轉(zhuǎn)動角度移動固定距離，然后，向檢測模塊發(fā)出下一輪檢測命令；若數(shù)據(jù)傳輸有誤，則向檢測模塊發(fā)出數(shù)據(jù)重發(fā)命令，等待下一輪角度數(shù)據(jù)接收。

3 硬件設(shè)計
3．1 ATmega128L單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)是整個懸掛物體運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)所有電路。本系統(tǒng)采用Atmel公司的ATmega128L單片機(jī)，有如下特點(diǎn)：

①工作電壓為2．7～5．5 V，可承受的電壓波動范圍較大，可有效克服由于模塊內(nèi)的微型步進(jìn)電機(jī)導(dǎo)致的電源電壓不穩(wěn)定所帶來的干擾，使系統(tǒng)能在一個較寬的電平范圍內(nèi)正常工作。

②片內(nèi)資源豐富。ATmega128L存儲器容量大，有128 KB Flash，4 KB E2PROM和4 KB RAM，可以滿足系統(tǒng)復(fù)雜的運(yùn)算和一定量的數(shù)據(jù)存儲要求；53個I／O端口，可滿足系統(tǒng)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(qū)動能力強(qiáng)；內(nèi)置看門狗，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

③可在線編程，方便系統(tǒng)的凋試。

3．2紅外線反射電路

采用帶脈沖調(diào)制功能的紅外線反射傳感器檢測黑線軌跡，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，才使輸出端為低電平。該電路容易濾除外界干擾，電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)，同時可以調(diào)節(jié)譯碼器不同的中心頻率，使得在同一設(shè)備使用多個紅外線傳感器而不會相互干擾。

3．3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

控制系統(tǒng)中的電機(jī)采用VEXTA公司的245-01A步進(jìn)電機(jī)，額定電壓4 V，靜態(tài)電流1．2 A，步距角1．8°。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路如圖5所示。達(dá)林頓管起功率放大作用，增強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動能力。電路中使用光電耦合器將控制和驅(qū)動信號加以隔離，有效降低外部干擾對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的可靠性。

3．4輸入與顯示電路