一种悬挂运动的控制系统论文和设计-冯志强

全文摘要

本实用提供了一种悬挂运动的控制系统，包括控制模块、驱动模块、显示输入模块、底板和支架，驱动模块包括第一电机和第二电机，第一电机的额定脉冲数和第二电机的额定脉冲数相等，第一电机所分配的总脉冲数m＝(c\/L)*额定脉冲数，第二电机所分配的总脉冲数n＝(d\/L)*额定脉冲数，其中c为第一电机的收放线长度，d为第二电机的收放线长度，L为电机上拉线周长常数；第一电机和第二电机交错送运行脉冲，第二电机的运行脉冲数是第一电机的运行脉冲数的m\/n倍。本实用新型中第一电机和第二电机交错送运行脉冲，使得悬挂物的运动轨迹更准确，运动精确度更高，同时显示输入模块可以显示悬挂物的运动轨迹，便于观察和计算误差。

主设计要求

1.一种悬挂运动的控制系统，其特征在于，包括控制模块、驱动模块、显示输入模块、底板和支架，所述的底板和驱动模块分别设置在所述的支架上，所述的驱动模块和显示输入模块分别与所述的控制模块相连，所述的驱动模块包括第一电机和第二电机，所述的第一电机和第二电机用于驱动滑轮，所述的第一电机和第二电机为步进电机，所述的第一电机的额定脉冲数和所述的第二电机的额定脉冲数相等，所述的第一电机所分配的总脉冲数m＝(c\/L)*额定脉冲数，所述的第二电机所分配的总脉冲数n＝(d\/L)*额定脉冲数，其中c为第一电机的收放线长度，d为第二电机的收放线长度，L为电机上拉线周长常数；所述的第一电机和所述的第二电机交错送运行脉冲，所述的第二电机的运行脉冲数是所述的第一电机的运行脉冲数的m\/n倍，所述的第一电机的运行脉冲数之和等于所述的第一电机所分配的总脉冲数m，所述的第二电机的运行脉冲数之和等于所述的第二电机所分配的总脉冲数n，所述的底板为白色。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种悬挂运动的控制系统，其特征在于，所述的控制模块为现场可编辑门列阵FPGA、SPCE061A单片机、C8051F020单片机或者MC9S12XS128单片机中的任一种。

3.根据权利要求1所述的一种悬挂运动的控制系统，其特征在于，还包括曲线跟踪模块，所述的曲线跟踪模块为霍尔传感器、红外传感器和发光二极管与光敏二极管组合中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种悬挂运动的控制系统，其特征在于，所述的显示输入模块包括显示屏和键盘。

5.根据权利要求1所述的一种悬挂运动的控制系统，其特征在于，所述的显示输入模块为触摸显示屏。

6.根据权利要求3所述的一种悬挂运动的控制系统，其特征在于，所述的底板上设有黑色的轨迹线。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及物体运动控制技术领域，尤其涉及一种悬挂运动的控制系统。

背景技术

悬挂物运动的定位一直是物理实验中的重点，如何更好的控制悬挂物的运动，及对它的运动轨迹进行定位、寻迹等也一直是实验研究的重点，现有的针对悬挂运动的控制系统一般比较简陋，仅包括控制器和电机，电机带动悬挂物在坐标纸上运动，然后根据坐标纸对运动轨迹进行计算，数据计算的误差性较大，整个控制系统的准确性较差，因此需要研制一款针对悬挂运动的控制系统。

实用新型内容

本实用新型提供了一种悬挂运动的控制系统，该控制系统的底板为白色，上面无需设置坐标线便可进行计算，同时驱动模块使用步进电机，两个步进电机之间交错送运动脉冲，对悬挂物的运动控制更精准，因此本控制系统的的控制准确性更高。

本实用新型所采用的技术方案是：一种悬挂运动的控制系统，包括控制模块、驱动模块、显示输入模块、底板和支架，所述的底板和驱动模块分别设置在所述的支架上，所述的驱动模块和显示输入模块分别与所述的控制模块相连，所述的驱动模块包括第一电机和第二电机，所述的第一电机和第二电机为步进电机，所述的第一电机的额定脉冲数和所述的第二电机的额定脉冲数相等，所述的第一电机所分配的总脉冲数m＝(c\/L)*额定脉冲数，所述的第二电机所分配的总脉冲数n＝(d\/L)*额定脉冲数，其中c为第一电机的收放线长度，d为第二电机的收放线长度，L为电机上拉线周长常数；所述的第一电机和所述的第二电机交错送运行脉冲，所述的第二电机的运行脉冲数是所述的第一电机的运行脉冲数的m\/n倍，所述的第一电机的运行脉冲数之和等于所述的第一电机所分配的总脉冲数m，所述的第二电机的运行脉冲数之和等于所述的第二电机所分配的总脉冲数n，所述的底板为白色。

采用以上技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

本实用新型整体结构简单，便于操作，其中第一电机和第二电机交错送运行脉冲，使得悬挂物的运动轨迹更准确，运动精确度更高，同时显示输入模块可以显示悬挂物的运动轨迹，便于观察和计算误差。

作为改进，所述的控制模块为现场可编辑门列阵FPGA、SPCE061A单片机、C8051F020单片机或者MC9S12XS128单片机中的任一种。

作为改进还包括曲线跟踪模块，所述的曲线跟踪模块为霍尔传感器、红外传感器和发光二极管与光敏二极管组合中的任一种。

作为改进，所述的显示输入模块包括显示屏和键盘，成本较低。

作为改进，所述的显示输入模块为触摸显示屏，便于操作。

作为改进，所述的底板上设有黑色的轨迹线，便于曲线跟踪模块识别轨迹线。

附图说明

图1为本实用新型整体模块示意图

图2为本实用新型部分结构示意图

图3为发光二极管与光敏二极管组合电路图

具体实施方式

如图1和图2所示，一种悬挂运动的控制系统，包括电源模块、控制模块、驱动模块、显示输入模块、曲线跟踪模块、底板和支架，底板和驱动模块分别设置在支架上，驱动模块、显示输入模块和曲线跟踪模块分别与控制模块相连，控制模块与电源模块相连；电源模块用于提供5V的稳定电压给控制模块供电，驱动模块用于带动悬挂物运动，显示输入模块用于输入运动参数和观察悬挂物运动轨迹，曲线跟踪模块用于实时测量跟踪悬挂物的运动轨迹，底板用于设置特定的轨迹线，然后使悬挂物按照特定的轨迹线巡线，在支架上设有滚轮，悬挂物上设有拉绳，拉绳绕过滚轮后的端部分别与驱动模块相连，驱动模块包括第一电机和第二电机，第一电机和第二电机均为步进电机，第一电机的额定脉冲数和第二电机的额定脉冲数相等，其范围一般在300个至3200个脉冲数之间，本申请中的第一电机的额定脉冲数和第二电机的额定脉冲数均选择为1600个；在运动的过程中，第一电机所分配的总脉冲数m＝(c\/L)*额定脉冲数，第二电机所分配的总脉冲数n＝(d\/L)*额定脉冲数，其中c为第一电机的收放线长度，d为第二电机的收放线长度，L为电机上拉线周长常数；当第一电机和第二电机交错送运行脉冲时，第二电机的运行脉冲数是第一电机的运行脉冲数的m\/n倍，第一电机的运行脉冲数之和等于第一电机所分配的总脉冲数m，第二电机的运行脉冲数之和等于第二电机所分配的总脉冲数n，底板为白色，在底板上设有黑色的轨迹线，通过控制模块和驱动模块的控制，悬挂物可沿黑色的轨迹线运动。

本实用新型中的控制模块为现场可编辑门列阵FPGA、SPCE061A单片机、C8051F020单片机或者MC9S12XS128单片机中的任一种，其中以MC9S12XS128单片机为最佳。显示输入模块包括显示屏和键盘或者显示输入模块直接采用触摸显示屏。曲线跟踪模块可以为霍尔传感器、红外传感器和发光二极管与光敏二极管组合中的任一种，本申请中以发光二极管与光敏二极管组合为例说明，发光二极管与光敏二极管组合的组数为2组及以上，如图3所示，其中D1和D2为光敏二极管，D3和D4为与D1、D2相对应的发光二极管，D5和D6为LED灯，用于指示光敏二极管的工作状态，R4为上拉电阻，阻值为10KΩ，R6和R10为滑动变阻器，U1为比较器，P3为单片机，在该电路中，从D3、D4发出的红外光线被D1、D2接收到时，D5、D6分别发光指示光敏二极管D1和D2已接收到红外光线，信号在进过比较器U1的整形后，从单片机P3的输入引脚输入，单片机P3再将信号传送给控制模块。本实用新型中以MC9S12XS128单片机作为悬挂控制系统的检测和控制中心，通过触摸显示屏实现对悬挂物所作运动的设定和显示画笔所在处坐标值，画笔在触摸显示屏上的坐标值对应悬挂物的运动位置处的坐标值，控制系统通过比较当前画笔所在位置与设定的位置的差异以及运动类型，控制第一电机和第二电机完成相应的运动，同时可以绘制出悬挂物相应的运动轨迹，还可以利用曲线跟踪模块自动跟踪曲线运动。

本实用新型可以控制悬挂物实现以下运动模式：

第一种：点到点运动模式，要求悬挂物在底板上走直线。

如图2所示，设E(x0，y0)，F(x1，y1)为底板平面范围内的任意两点，其中设于支架上的两个滚轮的坐标分别为A(-15,115)，C(95,155)；

对于E点的两拉线长度分别为：

同理对于F点，两拉线长分别为：

因此当悬挂物从E点运动到F点时：

第一电机的收放线长度为c，当c<0，第一电机正转，此时拉线将伸长；当c>0时，第一电机反转，此时拉线将收缩，c＝a0-a1；

第二电机的收放线长度为d，当d<0，第二电机反转，此时拉线将收缩，当d>0时，第二电机正转，此时拉线将伸长，d＝d0-d1；

根据c，d的正负首先分别确定第一电机，第二电机的正反转方向，然后根据c，d的绝对值来确定第一电机，第二电机各自所需的总脉冲数，总脉冲数指在整个运动过程中，电机所需要输出的总的脉冲数：已知电机上拉线周长L常数，则

第一电机所分配的总脉冲数：

m＝(c\/L)*1600

第二电机所分配的总脉冲数：

n＝(d\/L)*1600

在悬挂物实际运动时，可以根据E、F点的坐标确定E、F点所在的直线方程，然后以起始点E的横坐标x0为起点，以1个坐标单位为增量进行直线运动，本实用新型中1个坐标单位为1cm，也就是说把E、F两点之间的线段以1cm为标准分成了多个小段，然后第一电机和第二电机开始带动悬挂物运动，在每个小段中，第一电机和第二电机是交错送脉冲的，例如在第一小段中，当第一电机运行t个脉冲时，t为小于m的任一正整数，则第二电机需要运行m\/n×t个脉冲，第一电机和第二电机的运行脉冲数均取整数，此时悬挂物将走完第一小段，然后再按照走第一小段的方式走第二小段，直至走完整个E、F之间的线段，整个运动轨迹会实时显示触摸屏上显示。例如，将悬挂物放置在原点处，然后通过显示输入装置输入其终点坐标(35，20)，打开电源，控制模块控制第一电机和第二电机开始交替送脉冲带动悬挂物运动，最终经过18S后，悬挂物到达终点处。

第二种：圆周运动模式，要求悬挂物在底板上的运动轨迹为圆形。

设所画圆的圆心坐标为(x2,y2)半径为r，(x,y)为圆周上的任意一点，由此确定该圆的方程为：(x-x2)^{2<\/sup>+(y-y2)^{2<\/sup>＝r^{2<\/sup>，则上半圆：设计图}}}

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