黨智乾

(西安航空職業(yè)技術學院自動化工程學院　西安　710089)

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基于單片機的懸掛運動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

黨智乾

(西安航空職業(yè)技術學院自動化工程學院西安710089)

摘要論文系統(tǒng)采用MSP430F149為主控芯片，通過液晶屏和鍵盤與操作人交互，通過步進電機對懸掛載荷進行定位運動控制，使用安裝于懸掛載荷的反射式紅外光電傳感器提供的反饋對面板上給定曲線進行閉環(huán)跟蹤。實際系統(tǒng)測試表明:該系統(tǒng)具有工作性能穩(wěn)定、定位誤差小的特點,在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)中,具有廣泛的使用前景。

關鍵詞MSP430單片機; 懸掛運動控制系統(tǒng); 步進電機; 紅外傳感器

Class NumberTP368.1

1引言

在現(xiàn)代的工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療設備倉儲物流等系統(tǒng)中,懸掛運動系統(tǒng)[1]的應用越來越多,這些系統(tǒng)中懸掛運動部件通常是具體的執(zhí)行機構(gòu),懸掛部件的運動精確性是整個系統(tǒng)可靠性工作的決定性因素。本文采用MSP430F149單片機[2]和步進電動機設計了懸掛運動控制系統(tǒng),圖1為懸掛運動控制系統(tǒng)模型。通過單片機產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動步進電動機[3]，帶動懸掛物體在平面上做特定的準確運動或?qū)ほE運動。同時還設計了鍵盤和顯示模塊,可隨時設定或顯示懸掛物體的位置。

2系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖[4]如圖2所示,可分為控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、尋跡模塊、顯示模塊和鍵盤模塊五大部分。

圖1　懸掛運動控制系統(tǒng)模型

圖2　懸掛運動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

控制器模塊是整個系統(tǒng)的核心,主要由MSP430F149單片機組成,由鍵盤輸入接受命令。當系統(tǒng)接收到畫圖命令時,控制器模塊調(diào)用程序驅(qū)動電機來控制懸掛物體的位置,并將此位置坐標在顯示模塊中顯示出來；當系統(tǒng)接收進行尋跡命令,則調(diào)用尋跡程序驅(qū)動電機,并通過檢測尋跡模塊中的紅外傳感器的信號來控制懸掛物體尋跡。

3系統(tǒng)的硬件設計

3.1主控制器的選擇

該系統(tǒng)采用TI公司所生產(chǎn)的MSP430F149單片機為主控制芯片，MSP430F149單片機[5]有非常豐富的資源：6個8位并行口，其中兩個有中斷功能，同時含有12位的ADC,強大的定時器，精密的比較器，大容量的RAM和ROM,存儲大容量的程序。MSP430F149單片機最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　MSP430F149單片機最小系統(tǒng)

3.2循跡模塊的設計

循跡模塊采用ST198A反射式紅外光電傳感器，連接如圖4所示。其中P SEN為傳感器檢測準許端，SEN則為檢測端。P_SEN為高電平時，發(fā)射有電流通過，發(fā)出紅外光，如此時檢測的是白線，光敏三極管接收到紅外光，三極管導通SEN拉低為低電平；如檢測黑線則SEN為高電平；P_SEN為低電平則會關閉傳感器的檢測功能，SEN會一直被上拉為高電平。

3.3人機交互顯示模塊設計

使用的液晶是128*64A顯示模塊，該模塊特點是能夠顯示圖形和漢字，圖文并茂，界面良好。具體連接如圖5所示。其中D0～D7是數(shù)據(jù)口，LCD_WR為液晶寫信號，LCD_RD是液晶讀信號,LCD CE是液晶片選信號，LCD_CD是寄存器選擇信號?；谝壕?，設計了漢字的人機交互界面，支持多層菜單。結(jié)合簡單易懂的按鍵設計，能夠容易得到設置運動的參數(shù)、坐標，還可以實時顯示運動時間和運動的坐標。

圖4　循跡模塊電路圖

圖5　顯示模塊接線圖

3.4電源模塊的設計

系統(tǒng)供電采用220V的交流電經(jīng)適配器轉(zhuǎn)化成12V直流后給系統(tǒng)供電，連接圖如圖6所示，由于電機的存在，在設計時使用了DC-DC器件實現(xiàn)電路的隔離。具體為U2(7805)將適配器輸出的12V轉(zhuǎn)換為5V(MVCC5。0)，J3(DC-DC器件)將MVCC5。0轉(zhuǎn)化成L297和L298供電(L298有兩路供電，另一路外是適配器直接供的12V)。這樣就實現(xiàn)了電源的隔離，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.5電機驅(qū)動模塊設計

L297是包含環(huán)形分配器的控制芯片[6]，可以將控制器來的脈沖序列按一定的規(guī)律分配，產(chǎn)生步進電機運轉(zhuǎn)所需要的信號。連接方法如圖7所示。CLOCK是提供的脈沖，L297將把它的信號分配給A、B、C、D，供后級功放L298放大以驅(qū)動步進電機。CW/CCW用于控制步進電機整步還是半步運行(CW時為整步)。ENABLE是L297的使能端。L298是芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器[7]，放大L297提供的信號。電路設計如圖8所示。其中IN1～IN4分別連接L297的A、B、C、D腳，6、11腳分別接L297的INH1和INH2。二極管的作用是續(xù)流，保護前級電路。

圖6　電源模塊接線圖

圖7　顯示模塊接線圖

圖8　電源模塊接線圖

4系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件分成五個模塊,鍵盤掃描程序[8],畫直線程序,畫圓周程序,尋跡程序,液晶顯示程序。根據(jù)鍵盤輸入不同的值單片機執(zhí)行不同的程序段。其程序流程圖[9]如圖9所示。

5系統(tǒng)測試與分析

測試該系統(tǒng)使用UT33D型號數(shù)字萬用表，HY1711-2型穩(wěn)壓電源，YB4320G雙蹤示波器，秒表和卡尺。

測試可知:可通過鍵盤設定任意坐標點參數(shù),并在顯示屏上顯示。能夠通過按鍵功能設置定點運動測試、畫圓運動測試、循跡運動測試等。通過鍵盤設置相關功能,開機運行,測得三次的數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出每一次運行測試，偏差都很小,系統(tǒng)穩(wěn)定性好，用時較短，系統(tǒng)快速性好。

表1　系統(tǒng)三次測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

6結(jié)語

本文提出了一種通過MSP430F149單片機[10]控制步進電機來進行對物體的運動控制和精確定位的控制方法。設計了電機驅(qū)動模塊和人機交互顯示模塊,通過指令和尋跡模塊傳感器檢測的信號對物體的定位或定軌跡運動進行控制。實際測試表明:該系統(tǒng)具有工作性能穩(wěn)定、定位誤差小、智能化和電路簡單可靠等特點,可以應用于港口貨物吊運,大廈幕墻清洗等懸掛系統(tǒng)。

參 考 文 獻

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收稿日期:2016年1月7日,修回日期:2016年2月23日

基金項目:西安航空職業(yè)技術學院教科研項目(編號：XHZY-2014JC0005)資助。

作者簡介:黨智乾,男,碩士,講師，研究方向：計算機測量與控制。

中圖分類號TP368.1

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.038

Design and Realization of Suspension Control System Based on Microcomputer

DANG Zhiqian

(Department of Automation Engineering, Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi’an710089)

AbstractThis system is consisted by the controlling core of MSP430 MCU, the human interface of a LCD and a keyboard, two step motors for open-loop controlling of the suspended load and a matrix of reflected infrared optic-electronic sensors for feedback of the close-loop tracing to the given curve. Actual tests show that the system has a stable performance characteristics and small positioning errors. It has the prospects of extensive use in modern industry and agriculture.

Key WordsMSP430 MCU, suspension control system, stepper motor, infrared sensor