1. 2 电机驱动器选择

方案①：使用分立元件搭建。利用大功率三极管放大功率给步进电机提供驱动电压和电流。但本实验对功率要求较大，精度有限。

方案②：集成步进电机驱动器。集成驱动块能力强，工作稳定，其内部加入了光耦隔离器将控制电路与驱动电路完全隔离，防止了电动机在启动和制动时对控制电路造成影响。并且其只需要两三根线便实现电机的精确控制，控制相当简单。

综上所述，由于本系统需尽量采用高性能的驱动电路以保证步进电机良好的运转性能，故选择方案②。

1．3 循迹传感器选择

方案①：发光二极管和光敏二极管组成发射-接收电路。发光二极管为可见光，故光敏二极管的工作受外界光照影响很大，很容易造成误判和漏判。

方案②：反射式红外发射-接收器。采用红外对管替代普通可见光管，能极大地降低环境光源的影响。并且，红外线波长大，近距离衰减小，故探测近距离黑线更加可靠。

综上，选择方案②，采用发射时红外传感器ST188。

1. 4 画线算法

方案①：DDA算法。根据直线起始坐标得出斜率。取合适的步进量，根据斜率得出直线上每点的坐标，直接计算出两侧电机步数，控制画笔画线。该算法简单易行。

方案②：Bresenham微元算法。该算法只做整数加／减运算和乘2运算，运算速度很快，适于用硬件实现。

本系统采用软件实现算法，故选择方案①。

2 系统总体方案设计与实现
2．1 系统总体设计
根据设计要求和方案选择，本系统主要由3个模块电路组成：步进电机控制模块、红外传感和人机交互模块。电机驱动模块采用集成电机驱动器，驱动能力强；循迹采用红外对管，抗干扰能力好。MSP430单片机微控制器控制电机的旋转方向，以实现画直线、画圆及循迹过程。用户可通过4x4键盘选择运动坐标及画笔行动方式的设定。同时所有状态均在LCD上实时显示，及时跟踪电机行动状态。
2．2 总体实现框图
系统总体实现框图如图1所示。

3 原理分析

3．1 步进电机控制原理

在本系统中，左侧使用的是常州微特电机总厂的45BC340F三相步进电机，能精确到1．5°；右侧用二相步进电机C6696-9012K，步进角1．8°，额定电压3．1V，额定电流1．55A。这里以三相步进电机为例介绍步进电机的控制原理。

三相步进电机定子上有6个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接。6个齿构成三对磁极l.jpg，所以称为三相步进电机，磁极上有均匀分布的矩形小齿，转子上没有绕组，但有小齿均匀分布在其圆周上。其工作过程是：当一相绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成了N极和S极，产生磁场，并与转子形成磁路。磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他四个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准，即使转子齿与定子齿对齐，从而步进电机实现向前“走”了一步。

如果给绕组施加有序的脉冲电流就可以控制电机转动起来，从而实现电脉冲信号到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转速与脉冲的频率成正比，转向则与脉冲顺序有关。三相电机电流脉冲的施加方式有3种：

1)三相单三拍方式(按照单向绕组施加脉冲)：

正转：→A→B→C→；反转：→A→C→B→。

2)三相双三拍方式(按照双向绕组施加脉冲)：

正转：→AB→BC→CA→；反转：→AC→CB→BA→。

3)三相六拍方式(单向绕组和双向绕组交替施加脉冲)：

正转：→A→AB→B→BC→C→CA→；反转：→A→AC→C→CB→B→BA→。

其中，三相六拍式的步距角是1.5°，其他两种方式为3°。为了不产生累积误差，必须保证电机不失步，这和其运行矩频特性密切相关，值得注意的是步进电机的驱动信号存在一个必须避开的频率——共振频率￡0。

由于两边电机型号不一样，系统控制时需要注意两者的同步问题，从而以最佳的配合实现对画笔的精确圆滑控制。

3．2 系统算法实现原理
3．2．1 悬挂系统画任意曲线算法实现
前提：画纸和步进电机都是量化设备。画纸为坐标纸(1cm间隔)，如图2所示，步进电机步进角度恒定(1.5°或1.8°)。

公式推导：由勾股定理：


初步方案：
1)以直线或圆的量化算法计算出轨迹上的下一个点坐标，磁电机为步进电机的驱动目标。
2)根据推导公式计算出步进电机的驱动距离3)将驱动距离量化为驱动圈数，为降低累积误差，量化余数算入下一次的驱动距离当中。
具体方案流程图如图3所示。