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物理与信息工程毕业论文

【摘要】 本系统采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制中心,由直流步进电机、红外收发对管、4*4键盘及中文液晶显示屏构成的悬挂运动控制系统。该系统能自由控制悬挂物体完成自行设定运动、画圆运动、沿黑线运动等,并能正确显示物体到达的坐标位置。

【关键词】SPCE061A单片机 中文液晶显示屏 逼近画圆算法

A Control System For Suspension Movement

[Abstract]This design uses SPCE061A as the control core to build a suspension movement control system which consists of a DC step motor, infrared emitting tube, 4X4 keyboard and an LCD display screen for Chinese characters. The system can control the suspended objects to complete the movements set by itself, such as drawing the circles, moving along the black lines and doing other movements. It also can display the correct location of the coordinate where the object reaches.

Key words: SPCE061A Single chip, Chinese characters LCD, Closing Algorithm for circle drawing

  一、方案的选择与论证

1、单片机选择

方案一:采用传统的8位89C51单片机作为运动物体的控制中心。51 单片机具有价格低廉,使用简单等特点,但其运算速度低,功能单一,RAM、ROM空间小等缺点。本题目在确定圆周坐标值时,需要进行大量的浮点数运算,若采用89C51需要做RAM,ROM来扩展其内存空间,其硬件工作量必然大大增多。

方案二:采用16位单片机SPCE061A作为运动物体的控制中心。SPCE061A具有丰富的资源:RAM,ROM空间大、指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、可编程音频处理,易于编写和调试等优点。尤其在复杂的数学运算,其运算速度快,精度高,在控制步进电机时运行速度比一般51单片机快。
基于上述分析,拟选择方案二。

2、电动机选择

方案一:用步进电机实现物体的精确定位和方向控制。步进电机是一种脉冲控制电机,它是一种能将脉冲信号转换为角位移的数模转换器,可广泛用于无需反馈控制但要求有精确位置的场合。

方案二:采用带旋转编码器控制直流电机,电机运转平稳,精度可以得到保证。但其驱动电路复杂,在短时间内难与实现。
在本题中因考虑到控制画笔画图准确性和电路的复杂性,拟选择选用方案一,并采用控制性能高的步进电机来控制运动物体。

3、控制物体运动算法

方案一:直线插补法。直线插补法是在绘图系统中常用的一种逐点比较算法。它的原理是:执行机构每走一步,都要和给定轨迹上的坐标值进行一次比较,看当前位置和轨迹位置的关系,从而确定下一步的进给方向。如果当前位置在给定轨迹的下方,下一步向给定轨迹的上方走,反之则相反。如果当前位置在给定轨迹的里面,下一步向给定轨迹的外面走,反之则相反。这样走一步看一步,决定下一步走向,形成“逐点比较”, 使走线逼近给定轨迹。

方案二:直线简易算法。这种算法是根据计算机图形学中直线的显示方法改变而来,基本原理也是“逐点比较”,执行机构根据当前位置和轨迹位置的关系,从而确定下一步的进给方向,但是数据的处理过程不同。在直线插补法中,一次循环只能确定一个走向(X向或Y向),而在直线简易算法中,一次循环可以走两步,这样可以大大提高效率。同时,直线插补法要考虑象限的问题,不同的象限有不同的计算公式,而直线简易算法绕开了象限的问题,可以节省很多代码。
结合软件编程的难易和上面的比较,拟选择选用方案二。

4、黑线探测?

方案一:采用红外反射式探测,即用已调的红外线垂直射到板面,经反射后转换为电信号送入单片机处理,这是一种很普遍的应用,但是它存在着缺点:(1)由于反射距离较短,红外反射功率小,如果板面的纸凹凸不平或白纸表面有杂物,也会使单片机误判。(2)由于板面的黑线可能是墨水或者胶布,两种虽然都是黑色,但经实际应用发现其反光程度均不同,也会对红外传感器造成一定的干扰。

方案二:采用多路阵列式光敏电阻组成的光电探测器。因为光敏电阻探测到黑线时,黑线上方的电阻值发生变化,经过电压比较器比较将信号送给单片机处理,从而控制物体做相应的动作。光敏电阻对环境光的识别,要求考虑外界环境光的影响,测试时可能在室内或室外,为了消除外界光照强度的干扰,在每个光敏电阻旁边加了一个高亮度发光二极管,这样每个光敏电阻的环境一样,即使在黑暗的条件下也可以正常工作。测试结果表明使用这种方法就可以消除外界光的干扰。
基于上面的讨论,选用了抗干扰能力强的方案二。

5、显示方案

方案一:采用LED数码管显示器。LED 数码管亮度高,醒目,但是其电路复杂,占用资源较多,显示信息量较小。

方案二:采用汉字LCD液晶显示器。LCD有明显的优点:微功耗、尺寸小,超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适;可以用中文LCD液晶进行菜单显示,使整个控制系统更加人性化。
基于上面的比较分析和现有的LCD器件,拟选用方案二。

二、系统的具体设计与实现

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