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1、科大RoboShow邀請賽 1 創(chuàng)意： 1.1 創(chuàng)意背景： 我們的創(chuàng)意來自于目前全世界都面臨的一個生存危機問題——水資源的匱乏。椐統(tǒng)計： 人類擁有的水資源：自然界中的水（覆蓋地球表面約71%）海洋水約占96.5%淡水資源約占全球總水量的2.53%，其中可利用的淡水資源只有30.4%，占總水量不到1%，所以世界上有許多國家和地區(qū)存在著缺水危機。 我國的水資源狀況： 我國的水資源并不富裕，居世界第六位。人均水量約為世界人均水量的四分之一，許多地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)水資源短缺影響人民生活，制約經(jīng)濟發(fā)展的局面，此外許多地區(qū)和企業(yè)浪費水資源，使水資源受到的污染也

2、很嚴重，應與于重視。 基于以上現(xiàn)況，我們設計如下場景：一天,（機器人）小女孩“毛毛”在放學回家的路上，看見一株因缺水而枯萎的小花，善良的毛毛不想讓這株可憐的小花這樣的死去，于是為了救這一株小花而到處去找水，但是她所看到的卻是干涸的河床、枯黃的野草，最終沒有找到一滴水，于是她無奈地回到了小花的跟前，眼看著奄奄一息的花兒，自己卻無能為力，就傷心地哭了，淚水落到了花的身上。突然，奇跡出現(xiàn)了，小花因小女孩的淚水而神奇的復活了，小女孩見到此情此景時，轉悲為喜，以一段歡快的舞蹈表達小女孩此時此刻的愉快心情。最后用一段發(fā)人深思的告白結束全場的表演。 1.2 構思過程 經(jīng)過多次征求意見，組內(nèi)討論

3、，我們設計的故事情節(jié)如下：（舞臺布景：陽光，小路，干涸的河床，干枯的野草野花等等） 傍晚，陽光依然沒有半點退卻的意思。當下課鈴響時，毛毛如往常一樣高高興興地回家。就在回家的路上，偶然在路邊看見一株已經(jīng)凋零的小花。 善良的毛毛不忍心讓它就這樣無聲無息的死去。與是毛毛轉身去找水來就活小花，但是找來找去都沒有找到一滴水，連小河都枯竭了。 無奈之下，小女孩只好再次回到小花身邊，面對即將死去的小花，小女孩流下了傷心的淚水。突然，小花竟然緩緩地復活了。噢，原來是淚水！是淚水滴在了花的身上！小女孩見到花兒的復活，轉悲為喜，歡快地圍繞著花兒舞蹈。跳舞的過程中的旁白：（朋友，你知道是誰把生命給了我們

4、？是誰把綠色給了山川？是誰把豐收給了田野？是水！是水！水是生命之源！當宇宙中那顆冰球與地球相撞后，地球便有了水。因為有了水人類才開始生生息息地繁衍，因為有了水大地才披上了綠裝，萬物才有了生機勃勃的容顏。）最后以一句發(fā)人深省的話“為了我們共同的家園，請珍惜每一滴水”結束了全場的表演。 2 機械部分 2.1頭部結構設計 機器人頭部可以實現(xiàn)兩個自由度的運動，使用兩臺小型減速直流電機，其安裝方式如圖2.1.1所示： 圖1 頭部電機示意圖 頭部電機1可以實現(xiàn)昂頭、低頭兩種動作，電機1正轉由連軸器帶動電機2正向轉動，如圖 2.1.1所示。電機2反轉實現(xiàn)頭部動作如圖2.1.2所

5、示。電機2的正反轉帶動頭部可以實現(xiàn)搖頭的動作。 圖2 頭部電機詳解圖 假設毛毛面部在xoz平面內(nèi)，旋轉電機2，其面部轉到y(tǒng)oz面內(nèi)，由頭部兩個自由度的組合，可以實現(xiàn)頭部各種動作。 2.2機器人手臂結構設計 機器人肩部使用角鐵連接，角鐵機械強度高，不易變形，在機器人動作時可以有效保持本體形態(tài)，不發(fā)生抖動現(xiàn)象；手臂使用鋁合金材料連接，鋁合金質輕、強度高，安裝在手臂上可以有效減輕手臂電機的負荷、保證其穩(wěn)定性。整個手臂共使用6個電機，其中左右手各使用3個電機，左右手安裝形式完全相同，下面介紹手部電機安裝結構。安裝形式如圖2.2.1。 圖3 手部電機示意

6、圖 電機1、2、3組合，可以使機器人手臂實現(xiàn)三個自由度的運動，能很好地模擬人手大小臂的各種動作。電機1實現(xiàn)張合臂動作，電機2實現(xiàn)大臂動作，電機3實現(xiàn)小臂動作。由此組合成手臂的第二個關節(jié)，在整個空間內(nèi)自由運動。由這4個電機的組合運動，控制手臂在空間內(nèi)自由運動，實現(xiàn)手臂的自由彎曲。在我們的表演中，可實現(xiàn)毛毛的各種舞蹈動作及其它細微動作。 圖4 手部電機立體圖 2.3．腰部結構設計 腰部由電機5驅動，一改傳統(tǒng)的拉線式結構，我們通過連桿與轉動軸相連實現(xiàn)彎腰動作。腰部機械結構設計精巧，巧妙的利用了杠桿的原理，電機負荷大大減輕，控制精確，工作穩(wěn)定。平面設計圖如

7、下： 圖5 腰部電機示意圖 2.4．機器人底盤 底盤安裝了三個輪，其中由兩個驅動輪和一個萬向輪組成，安裝結構如圖 2.4.1所示。 圖6 底盤俯視圖 萬向輪安裝在最前端，可實現(xiàn)0～360度自由轉向，后輪由兩個大功率減速直流電機帶動機器人前后運動。 3 硬件電路設計 系統(tǒng)的硬件電路主要由以下幾個模塊組成：+5V電源穩(wěn)壓電路及+9V電壓穩(wěn)壓電路、紅外傳感器調(diào)理電路、直流電機驅動電路、單片機最小系統(tǒng)板電路。 以下分別介紹： 3.1 控制模塊 單片機最小系統(tǒng)板的設計 圖7 AT89S52單片機最小系統(tǒng)原理圖 該模塊的附

8、加功能如下：單片機的P3.3口接一按鈕開關，即可用于人機交互的I/O口輸入按鍵，又可作為外部中斷1的人為輸入端；P3.4口接一個發(fā)光二極管，用于顯示一個I/O口的狀態(tài)；P3.5接蜂鳴器，編寫相關程序可實現(xiàn)系統(tǒng)設計的報警功能。該最小系統(tǒng)板有上電按鍵復位電路，有電源指示燈，有外部擴展EEPROM接口，有防電源反接保護電路，四組I/O口均可接排阻，由跳線帽設置。本系統(tǒng)板適用51系列其它任何單片機芯片，具有良好的通用性。單片機使用晶振為11.0592MHz。 3.2 傳感器的設計與安裝 圖8 紅外傳感器驅動原理圖 該電路可以驅動四個紅外對管，集成運放用最實用的四運放芯片LM324。本電路

9、圖利用簡單的紅外發(fā)射接收原理及運放制作的電壓比較器將信號調(diào)整成TTL高低電平。便于單片機的實時采集。 車底座四個紅外發(fā)射接收傳感器，用于檢測地面及記錄路程狀態(tài)，便于返回安全區(qū)域。車身四角上方各有一個紅外接收管，呈45度角裝置，便于當小車走到白色節(jié)點時檢測四周四個黑色方格內(nèi)是否有火源。與風扇吹風相同的方向裝有兩個紅外接收傳感器，判定風扇是否已經(jīng)轉向火源。具體參考：5.1.6 整機裝備圖解。 關于尋跡及計白線傳感器的安裝是經(jīng)過多重考慮最終確定的。將四個傳感器放在小車車身中央同一條直線上，這樣組合使用可以實現(xiàn)功能如下：尋跡、計白色線數(shù)、處理臨界狀態(tài)、防出界、防遇到障礙物等等功能。但它也有局限性，

10、小車后退尋跡無法實現(xiàn)，只有靠轉彎來后退，如果將傳感器都放后輪軸下方，就可以很好地跟隨主動輪一起實現(xiàn)前進或后退尋跡功能，但裝在后輪下方就會失去更多功能。權衡利弊，確定讓四傳感器裝在車底座中央下方一條直線上。 3.3 直流電機驅動模塊 直流電動機的驅動一般可以采用兩種方法：由三極管組成的H橋驅動和集成電路驅動。從穩(wěn)定性的角度考慮，我們選用了集成芯片L298。一片L298可以用來驅動兩個直流電動機，工作電壓最高可達到46V，在6—46V的電壓下，可以提供2A的工作電流，L298自帶過熱保護電路。 利用L298及其外部輔助電路和電機構成驅動電路。單片機控制口接L298的四個輸入控制端IN1,I

11、N2,IN3,IN4。L298的兩個輸出端OUT1,OUT2接電機。電機轉動狀態(tài)編碼如表1.2所示。 表1.2電動機狀態(tài)編碼表 左電機 右電機 左電機 右電機 電動車運行狀態(tài) 1IN1 1IN2 2IN1 2IN2 1 0 1 0 正轉 正轉 前行 1 0 0 1 正轉 反轉 左轉 1 0 0 0 正轉 停 以左電機為中心原地左轉 0 1 1 0 反轉 正轉 右轉 0 0 1 0 停 正轉 以右電機為中心原地右轉 0 1 0 1 反轉 反轉 后退 圖9 直流電機驅動板 根據(jù)

12、上表可知，只要設定一塊L298的IN1,IN2,IN3,IN4四個控制端口的不同編碼，就可得到電機的正轉，反轉等不同的運行狀態(tài)；可使電機穩(wěn)定運行，L298如圖3.3所示。 3.4 電源模塊 電源無疑是機器人設計中一個非常重要的一個模塊，只有電源的穩(wěn)定可靠才使機器人有可靠運行的可能。因為是移動的機器人，所以它的能源需要與自身本體一起移動，可充電電池成了最好的選擇。在選擇電池的時候主要從以下幾個方面考慮：充電性能、功率密度、電壓、容量、內(nèi)阻。綜合考慮我們選擇了鎳氫電池，鎳氫電池的類型比較多，電池和充電器的花費比較節(jié)省。其記憶效應遠小于鎳鎘電池，功率密度也比較高。 機器人本體上共用到11

13、個12V直流電機。 使用固定電壓給直流電機供電可使機器人的動作及底盤運動保持相對恒定，故我們選擇了集成穩(wěn)壓芯片7809，使充電電池輸入的+12V轉換成+9V供給各直流電機，保證了調(diào)試的方便、降低了表演出錯率。 系統(tǒng)一共用到兩種電源，控制電路部分5V和電機的9V。本系統(tǒng)采用兩塊充電電池（充滿電+13.7V）和一個四節(jié)南孚電池組成的電池盒（約+5.5V）供電，5V電壓供單片機工作；從12V電源穩(wěn)壓得到9V供機器人本體中的各個直流電機工作。 直流電機，集成驅動芯片，都會在電源總線上產(chǎn)生噪聲，對此采用了在每個電機的輸出端接上旁路電容來消除噪聲。 4 軟件設計 4.1 程序框圖

14、4.2 程序流程圖 圖10 尋跡流程圖 圖11 定位流程圖 圖12 上身動作流程圖 4.3 程序思想 4.3.1 底盤思想 通過程序控制電機的正反轉，即可控制機器人底盤的各種運動，包括原地左轉右轉、左轉彎右轉彎、前進、后退、剎車等運動狀態(tài)。通過紅外傳感器對運動軌跡的檢測，控制機器人底盤做相應的動作。底盤程序中加入了一種巧妙的算法，在尋跡的過程中檢測節(jié)點數(shù)，當程序執(zhí)行到尋跡模塊，進入死循環(huán)，只有當檢測到節(jié)點時才跳出死循環(huán)；并且在每一個節(jié)點出發(fā)處屏蔽節(jié)點計數(shù)器，使傳感器能正常檢測到下一個節(jié)點。 4.3.2 上身思想 為了使機器人能夠做出抬頭，搖

15、頭，彎腰，舞蹈等動作，機器人的上身共用了9個直流電機。 能實現(xiàn)9個自由度，基本上能表現(xiàn)出人基本的單間的動作。 6 總結 經(jīng)過全體隊員的十多天的努力，我們的機器人從一個想法和概念變成了現(xiàn)實，并走上了舞臺。在整個制作過程中，大部分電路都是我們自己手焊的，所以有時會因為某個元件的虛焊會使我們白白浪費很多的時間去找軟件的錯。在動作的調(diào)試過程中因為直流電機的累積誤差和不能精確控制使得調(diào)試工作量變得非常大。有時一個動作要調(diào)上五，六個小時。在多人合作中由于有明確的分工，相互協(xié)作也變的尤為重要，軟件離不開電路和機械的支持，電路和機械更是離不開軟件來賦予它發(fā)揮更強大功用的能力。為了保證我們的工作

16、順手如意，從制作機器人一開始我們便通力協(xié)作，遇到問題和困難就一起動手，在解決問題的過程中提高了我們分析和解決問題的能力，也進一步認識到了電路，機械和程序之間密不可分的聯(lián)系。 由于沒在意到電源供電的問題，最后出現(xiàn)了一件很麻煩的事：充電電池供電有限，調(diào)試過程中，經(jīng)常可以看到在供電未變的情況下，已調(diào)好的動作變得又不精確。 7 致謝 首先要感謝是電子電氣工程系對我們機器人競賽的大力支持，系里支持才使得我們的許多工作能夠順利的進展。感謝譚老師的關愛、王敬生老師和儲忠老師在整個制作過程的鼓勵和指導。 懸掛運動控制系統(tǒng)（E題）設計與總結報告 摘要：本設計以單片機（C8051F005）作為懸掛運動

17、控制系統(tǒng)的控制核心，整個系統(tǒng)由中央控制模塊、鍵盤輸入模塊、跟蹤檢測模塊、液晶顯示模塊、執(zhí)行機構等部分組成，可實現(xiàn)懸掛物體的自行設定“M”形軌跡運動，直線運動，圓心任意設定，直徑為50cm的圓周運動和軌跡跟蹤運動等功能?？刂葡到y(tǒng)接收用戶設定參數(shù)并進行合法性檢驗，然后控制物體按要求運動，同時用畫筆畫出物體的運動軌跡。跟蹤檢測模塊以光電傳感器構成十字交叉型陣列，搜索標定的任意曲線，控制懸掛物體沿標定的任意曲線運動。執(zhí)行機構由兩臺混合步進電機28BYJ48A和相關電機驅動電路組成，解決了電機運行的同步問題。大屏幕的液晶顯示模塊可清晰顯示設定參數(shù)，實時顯示物體所在位置的坐標值，并同步顯示懸掛物體的運動軌

18、跡。 關鍵詞：智能控制，軌跡跟蹤，液晶顯示屏（LCD），鍵盤 A movement control system of a suspending object Abstract: A system, which uses a micro-control unit (MCU) as its controlling unit, is designed for controlling movement of a suspending object in a pre-defined way, i.e. linear, circular or track-tracing. It is compos

19、ed of a center control unit, a keyboard input unit, a track-tracing unit, a liquid crystal display unit and a performing unit. The control system after receiving user’s information judges first, and then controls the movement of the object according to requirements while painting the movement track.

20、 The track-tracing unit, consisting of five photoelectric transducers arranged cross-shaped, searches the pre-defined movement track of the object and controls the object to move along it. The performing unit is composed of two hybrid step motors (28BYJ48A) and motor-driving circuits, and it is used

21、 to deal with synchronization of running of the motors. The liquid crystal display unit is used to display the pre-defined parameters and the movement track of the object. Keywords: intellegent control track-tracing liquid crystal display keyboard 1. 系統(tǒng)方案選擇和論證 1.1 設計要求 1.1.1基本要求： （1）控制系統(tǒng)能夠

22、通過鍵盤或其他方式任意設定坐標點參數(shù)； （2）控制物體在80cm*100cm的范圍內(nèi)作自行設定的運動，運動軌跡長度不小100cm，物體在運動時能夠在板上畫出運動軌跡，限300秒內(nèi)完成； （3）控制物體作圓心可任意設定、直徑為50cm的圓周運動，限300秒內(nèi)完成； （4）物體從左下角坐標原點出發(fā)，在150秒內(nèi)到達設定的一個坐標點（兩點間直線距離不小于40cm）。 1.1.2發(fā)揮部分 （1）能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標； （2）控制物體沿板上標出的任意曲線運動（見示意圖），曲線在測試時現(xiàn)場標出，線寬1.5cm～1.8 cm，總長度約50 cm，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，

23、長約30 cm；后一部分是兩段總長約20 cm的間斷線段，間斷距離不大于1 cm；沿連續(xù)曲線運動限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運動限定在300秒內(nèi)完成； （3）其他。 1.2 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可規(guī)劃為中央控制部分，軌跡跟蹤部分、輸入模塊、執(zhí)行機構、顯示部分和供電部分。如圖1.1所示： ~220V 中央控制模塊 輸入 模塊 顯示 模塊 軌跡跟蹤模塊 執(zhí)行機構 圖1.1 系統(tǒng)的基本模塊方框圖 電源模塊 1.2.1 各模塊方案選擇與論證 (1) 控制器模塊 中央控制器為整個系統(tǒng)的核心，

24、通過接受外部信息，按照控制算法驅動執(zhí)行機構。對中央處理器的選擇多種多樣，但我們熟練掌握8051系列單片機的控制原理和設計方法，所以我們選擇C8051F005作為系統(tǒng)控制器。該單片機運算功能強，軟件編程靈活，自由度大，并且其功耗低，體積小，技術成熟，完全適合在本系統(tǒng)中應用。 (2) 執(zhí)行機構 本系統(tǒng)中要求電動機步距角小，動態(tài)性能好，并能實現(xiàn)精確定位。 方案1：直流電機。 使用直流電機作為動力驅動。在電機上安置碼盤和紅外接收管或霍爾器件，通過計數(shù)器對接收到的脈沖進行計數(shù)，從而算出電機的轉速和繩子改變的長度。但此種方法需要半閉環(huán)控制（即需要線位移反饋或速度反饋），結構復雜，計算困難。

25、 方案2：步進電機。 ①反應式步進電動機（variable reluctance,簡稱VR） 反應式步進電動機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組，步距角可做得很小，但動態(tài)性能較差。 ②永磁式步進電動機（permanent magnet,簡稱PM） 永磁式步進電動機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。它的輸出轉矩大，動態(tài)性能好，轉子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。 ③混合式步進電動機(hybrid,簡稱HB) 混合式步進電動機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，它的輸出轉矩大，動態(tài)性能好，步距角小。 所以我們選用混合式步進電動機。并選擇與其適配的專用驅

26、動集成芯片L297+L298，L297+L298集驅動和保護于一體，性能穩(wěn)定，易調(diào)試，且使用方便。 （3）輸入模塊 方案1：鍵盤輸入。 采用優(yōu)良的4*4行列矩陣式鍵盤，此方法操作簡單，節(jié)省單片機資源，且價格便宜。 方案2：觸摸屏輸入。 通過觸摸檢測部件檢測用戶觸摸位置，接受觸摸信息后送觸摸屏控制器，觸摸屏控制器將它轉換成觸點坐標送給CPU，它同時接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。此方法操作方便，簡單，但價格昂貴。 所以選擇方案1。 （4）顯示模塊 本模塊將實現(xiàn)的功能是實時顯示物體所在位置的坐標并同步顯示物體的運動軌跡。 方案1：采用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。 數(shù)碼管具有低

27、壓、壽命長、耐老化、防潮，對環(huán)境要求低以及精確可靠、操作簡單、易于維護等特點，但顯示信息量小，只能顯示坐標數(shù)值，無法顯示運動軌跡。 方案2：采用液晶顯示屏（LCD）顯示。 液晶顯示屏具有低耗電量，無輻射危險，以及影像不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點。并能顯示各種波形，菜單等，顯示內(nèi)容十分豐富。 基于以上分析，擬訂方案2。 （5）軌跡跟蹤模塊 方案1：采用攝像頭。 利用圖像提取技術或色素提取技術，根據(jù)攝像頭拍攝到的圖片決定下一步的運動方向。其優(yōu)點是控制精確，但其對硬件和軟件的要求都較高，處理起來困難。 方案2：采用熱探測器。 熱探測

28、器是根據(jù)接收到紅外輻射后溫度變化，溫度的變化引起電信號輸出，且輸出的電信號與溫度的變化成比例的原理工作的。當紅外線被黑線吸收時，溫度會減小，電壓變低，而紅外線沒有被吸收時，電壓不變，單片機可以根據(jù)電壓的變化來判斷路面的狀態(tài)。由于溫度變化是因為吸收熱輻射能量引起的，與吸收紅外輻射的波長沒有關系，即對紅外輻射吸收沒有波長的選擇，因此受外界影響較大，抗干擾較弱。 方案3：采用光電傳感器。 光電傳感器接收紅外輻射后，紅外光子直接把材料的束縛態(tài)電子激發(fā)成傳導電子，由此引起電信號輸出，輸出信號大小與所吸收的光子數(shù)成比例。且這些紅外光子能量的大小（即紅外光還必須滿足一定的波長范圍），必須滿足一定的要求才

29、能激發(fā)束縛電子，起激發(fā)作用。光電傳感器吸收的光子必須滿足一定的波長，否則不能被吸收，所以受外界影響比較小，抗干擾比較強。 基于以上分析，擬訂方案3。 1.2.2 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過仔細分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： （1）控制器模塊：采用單片機C8051F005控制。 （2）執(zhí)行機構：采用混合式步進電機和專用的驅動集成芯片L297+L298。 （3）輸入模塊：采用4*4行列矩陣式鍵盤。 （4）顯示模塊：采用點陣型液晶顯示屏（LCD）WG320*240。 （5）軌跡跟蹤模塊：采用紅外光電傳感器。 系統(tǒng)的基本框圖如圖1.4所示。 圖1.4

30、系統(tǒng)的基本組成框圖 中央控制模塊 C8051F005 4*4鍵盤 LCD顯示 步進電機 驅動電路 軌跡跟蹤模塊 步進電機及相關機械裝置 直流穩(wěn)壓 電源 2. 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 系統(tǒng)功能簡述： （1）控制系統(tǒng)能夠通過4*4鍵盤輸入物體的運動形式，例如直線運動，圓周運動，自行設定軌跡運動和軌跡跟蹤運動。可以任意設定坐標點參數(shù)，并進行輸入數(shù)據(jù)合法性檢驗； （2）在規(guī)定時間內(nèi)完成物體在80cm*100cm的范圍內(nèi)作自行設定的“M”形運動并能夠在白板上畫出物體的運動軌跡； （3）在規(guī)定的時間內(nèi)完成懸掛物體作圓心任意設定，直徑為50cm

31、的圓周運動； （4）在規(guī)定的時間內(nèi)完成懸掛物體作起點在原點，終點任意設定的直線運動； （5）能夠通過大屏幕的液晶屏顯示當前的運動形式以及與其相關的特定參數(shù)，實時顯示物體中畫筆所在位置的坐標值，并同步顯示物體的運動軌跡； （6）在規(guī)定的時間內(nèi)實現(xiàn)軌跡跟蹤的功能。軌跡為任意設定的黑色軌跡，分為連續(xù)部分和間斷部分。 2.1 系統(tǒng)的硬件組成部分 本題是一個光、機、電一體的綜合設計，在設計中運用了檢測技術、自動控制技術和電子技術。系統(tǒng)可分為傳感器檢測部分，智能控制部分，LCD顯示部分和供電部分。 傳感器檢測部分：系統(tǒng)利用光電傳感器將檢測到的外部信息（例如軌跡情況）轉化為可被控制器件辨認的電

32、信號。軌跡跟蹤模塊即屬于這一部分。 智能控制部分：系統(tǒng)中控制器件根據(jù)傳感器變換輸出的電信號進行邏輯判斷和計算，控制電機動作，完成懸掛物體的軌跡跟蹤運動。同時還可根據(jù)鍵盤的輸入?yún)?shù)，控制懸掛物體作相應的軌跡運動。 LCD顯示部分：液晶顯示屏（LCD）顯示當前的運動形式以及與其相關的設定參數(shù)，實時顯示物體所在位置的坐標值，并同步顯示物體的運動軌跡。 供電部分：為系統(tǒng)各個單元提供正常穩(wěn)定的工作電壓。 2.2主要單元電路設計 2.2.1 智能控制部分的單元電路設計 （1） 中央控制模塊電路的設計 單片機的最小系統(tǒng)及外圍電路具體如圖2.1所示。單片機C8051F005接收鍵盤的輸

33、入和軌跡跟蹤模塊的信息，并將輸入信號進行運算處理，以控制脈沖的形式來控制電機動作，從而完成各項任務要求。 為了方便單片機引腳的使用，我們將單片機的所有引腳用接口引出。 其中： ①鍵盤接口：P2口； ②電機接口：左邊電機脈沖輸入端：P0.6，方向控制端：P0.7； 右邊電機脈沖輸入端：P3.6，方向控制端：P3.7； ③液晶顯示屏接口：A0、WR、RD、CS、RST：P3.0～P3.4； 數(shù)據(jù)線DB0～DB7：P1口； ④ 軌跡跟蹤模塊的輸入接口：紅外光電傳感器的輸出接口根據(jù)傳感器的位置從上到左按逆時針分別接P0.0～P0.4。 ⑤ 光指示二極管接口：P3.5 圖2.1

34、C8051F005的最小系統(tǒng)及外圍電路 （2）電機模塊 電機的選擇：本系統(tǒng)是一個電機控制系統(tǒng)，所以電機的選擇至關重要?，F(xiàn)對懸掛物體進行受力分析， 15cm mg F1 F2 θ1 θ2 圖2.2 物體的受力分析 如圖2.2所示： F1sinθ1 = F2sinθ2 F1cosθ1 + F2cosθ2 = mg 其中：根據(jù)白板尺寸, 張角θmax=arctg(115/15)≈82.5 θmin=arctg(15/115)≈7.4 所以，7.4≤θ1≤82.5；7.4≤θ2≤82.5。 由于是定滑輪兩邊受力相同，所以繩子對物體的拉力等

35、于繞線輪對繩子的拉力，則算出繩子的最大拉力就可以得到拉力對繞線輪的最大轉矩。 根據(jù)上述數(shù)學公式求得拉力的極值，F(xiàn)1≤1.9mg。 取F1=2mg，電動機上的繞線輪直徑為4.9cm，則半徑r=2.45 cm 懸掛物對繞線輪的轉矩：Tn=F1r=20.1kg9.8N/kg0.0245m=48mN.m 即所選電機扭矩為≥48mN.m 對照電機手冊，我們選擇了混合式步進電機28BYJ48A，洛社微特電機廠。 供電電壓：直流電壓12V電壓供電。 脈沖步長：繞線輪周長為4.9πcm，發(fā)2050個脈沖，電機轉動一圈。 脈沖步長= 4.9π2050=0.0075cm。 （3）電機驅動模塊的設

36、計與實現(xiàn) 28BYJ48A型步進電機有與其配套的專用驅動芯片L297+L298，具體電路如圖2.3所示。 ① L298的2、3、13和14腳分別接四相步進電機的 A相，B相，C相和D相 ； ② L297的17腳（cw/ccw）為轉向控制端。高電平，電機順時針轉動，低電平，電機逆時針轉動； ③ L297的18腳（clk）為脈沖輸入端。每接收一個脈沖，步進電機前進一步； ④ L297的19腳(half/full) 為模式控制端。高電平為單步工作方式，低電平為雙步工作方式，單步工作的步距角為雙步的兩倍； ⑤ L297的15腳（Vref）控制負載的最大電流； ⑥ 其他控制管腳接有效電平。

37、 工作過程： 電機上5根接線分別接L298的A、B、C、D四相和COM端，當L297的clock端接收到一個脈沖，電機根據(jù)cw/ccw端的電平，順時針或者逆時針運動一步，步長為0.0075cm。 圖2.3電機的專用驅動電路 （4）鍵盤模塊 鍵盤上設有： 數(shù)字鍵：數(shù)字0~9，用于輸入X軸坐標，Y軸坐標和圓心坐標等數(shù)值。 功能鍵：X軸坐標值與Y軸坐標值之間的分隔符，確認鍵，清除鍵，自行設定軌跡運動的標志鍵，圓周運動的標志鍵和軌跡跟蹤標志鍵。 設定直線運動的終點坐標時，分隔符之前的值表示X坐標值，范圍為0~80cm；分隔符之后的值表示Y坐標值，范圍為0~100 cm。若作

38、圓周運動，先按下圓周運動標志鍵，圓心坐標可以任意設定，設定過程與直線的終點坐標設定相同。按下自行設定軌跡運動的標志鍵后，物體即可按照預先設定的“M”形軌跡運動。確認鍵按下后程序開始執(zhí)行。清除鍵可以用來重新設置運動形式或坐標參數(shù)。整個鍵盤操作界面十分友好。 （5）顯示模塊 采用LCD顯示懸掛物體運動的相關內(nèi)容，設計中選擇SED1335，其特點如下： ①　有較強功能的I/O緩沖器； ②　指令功能豐富； ③　四位數(shù)據(jù)并行發(fā)送，最大驅動能力為640256點陣； ④　圖形和文本方式混合顯示。 接口電路如圖2.4所示： a. DB0-DB7：三態(tài)，數(shù)據(jù)總線，可直接掛在MCU數(shù)據(jù)

39、總線上； b．CS：輸入，片選信號、低電平有效。當MCU訪問SED1335時，將其置低； 　 c． A0：輸入，I/O緩沖器選擇信號，A0=1寫指令代碼和讀數(shù)據(jù)，A0=0時寫數(shù)據(jù)參數(shù)和讀忙標志； d．RD：輸入，讀操作信號； e．WR：輸入，寫操作信號； f．RES：輸入，復位信號，低有效，當重新啟動SED1335時也需用指令SYSTEMSET。 整個屏幕的最下方顯示“懸掛運動控制系統(tǒng)”字樣。左半邊同步顯示物體的運動軌跡，右上方根據(jù)鍵盤的輸入情況顯示物體的運動形式以及相關參數(shù)，右下方實時顯示物體所在位 置坐標值。例如作直線運動時，右上方會顯示“直線”字樣，“直線”字樣下方顯

40、示用戶設定的直線運動終點坐標，右下方實時顯示物體所在位置的坐標值；左半邊同步顯示直線運動的運動軌跡。作圓周運動時，右上方會顯示“圓”的字樣，字樣下方顯示圓心坐標和半徑，右下方實時顯示物體所在位置的坐標值；左半邊同步顯示圓周運動的運動軌跡。其他運動時顯示界面基本相同，此顯示界面清晰、明了、美觀、大方。 圖2.4 液晶與單片機接口 2.2.2 檢測部分的單元電路設計 軌跡跟蹤模塊 根據(jù)題目要求，懸掛物體能沿著黑色軌跡運動。為了使物體能在特定的黑色軌跡上運動，系統(tǒng)需要將軌跡的狀態(tài)及時的以電信號的形式反饋到控制部分，控制部分控制電機相應的動作，使物體一直沿著黑色軌跡運動。 圖2.5

41、為紅外光電傳感器具體的電路圖。 傳感器工作過程如下：紅外發(fā)光二極管導通，發(fā)出紅外光，經(jīng)反射物體反射到接收管上，接收管導通，比較器LM324的正向輸入端電壓低于反向輸入端電壓，比較器輸出為低電平；當紅外光照射到黑色膠帶時，反射到接收管上的光量減少，接收管處于截止狀態(tài)，則比較器的正向輸入端電壓高于反向輸入端電壓，輸出為高電平。由于光電傳感器受外界的影響較大，容易引起單片機誤判，因此在電路中加入了一個電位器（阻值為300K），調(diào)整電位器的阻值即可改變接收管的靈敏度，10K電阻可調(diào)節(jié)比較器的反向輸入端電壓。 圖2.5 紅外發(fā)射—接收電路圖 跟蹤原理： （1）線寬的選擇：

42、題目要求軌跡的寬度為1.5 cm～1.8cm，我們選定寬為1.7 cm的黑色電工膠帶，符合要求。 （2）傳感器的安裝： 傳感器的安裝對軌跡狀態(tài)的檢測有至關重要的影響。安裝時應該讓傳感器檢測到的狀態(tài)正確反應黑色軌跡的狀態(tài)，從而正確判斷下一步的走向，使物體能沿著黑色軌跡正確運動。 如圖2.6所示，物體上安裝五個紅外傳感器，成上、下、左、右和正中的十字交叉形陣列，實現(xiàn)軌跡跟蹤運動功能。白色小框表示發(fā)射管，黑色小框表示接收管。分別假定上方傳感器為a，右方傳感器為b，下方傳感器為c，左方傳感器為d，正中間傳感器為e。其中：為了不使五個傳感器同時檢測到軌跡（當五個傳感器同時檢測到軌跡時無法判斷下一步

43、的方向），故四周的傳感器到中心位置的傳感器的距離應大于軌跡寬度的1/2，即n>1.7/2cm，同時n的值又不能大于軌跡寬度（大于軌跡寬度容易丟失軌跡，也導致無法判斷），即n<1.7cm，又因為傳感器自身長度為0.4 cm，所以我們選擇a，b，c，d四個傳感器與e傳感器發(fā)射管之間的距離為1.5 cm。另外我們還做了兩套傳感器，四周傳感器a,b,c,d與e傳感器之間的距離分別為0.8 cm和1.7 cm，經(jīng)過反復實驗，證明四周傳感器與中心傳感器之間的距離為1.5 cm的傳感器陣列檢測效果最好，是檢測軌跡狀態(tài)的最佳選擇。 a b c d e 圖2.6傳感器陣列

44、 （3） 跟蹤思想： 單片機接收傳感器檢測的輸出信號數(shù)據(jù)，來控制懸掛物體沿給定軌跡運動。根據(jù)+Y走向（向上運動）和-Y走向（向下運動）不可能同時有效，+X走向（向右運動）和-X走向（向左運動）也不可能同時有效，但 +Y和-X，+Y和+X，-Y和-X，-Y和+X走向可以同時有效的思想，來實現(xiàn)全方位軌跡跟蹤的。 ① 設定運動方向標志位 設定向上標志位為bitup，向下標志位為bitdown，向左標志位為bitleft，向右標志位為bitright。標志位為“1”表示相應運動方向有效，為“0”表示相應運動方向無效。bitup和bitdown，bitleft和

45、bitright不能同時有效，最先檢測到黑色軌跡傳感器則設定該方向的運動方向標志位為“1”，當中心傳感器e脫離了軌跡，并且該方向的方向傳感器也為無效時，清除該方向的運動標志位。 ② 判斷規(guī)則： a.連續(xù)軌跡判定：將傳感器探頭放在軌跡開始位置，保證中心傳感器和一方向傳感器在軌跡上。開始跟蹤，系統(tǒng)檢測五只傳感器的狀態(tài)，根據(jù)上述方法設置bitup和 bitdown，bitleft和bitright方向標志，然后沿該方向運動一步（物體運動一步是指物體移動0.1cm，以下相同），同時再檢測該方向的方向傳感器，是否仍然為有效，若有效將繼續(xù)沿該方向運動一步，再檢測e傳感器，若中心傳感器e的檢測狀態(tài)為

46、0，判斷方向傳感器的檢測狀態(tài)也為0時，原方向退回二步（因為軌跡的寬度為1.7, 傳感器之間的距離為1.5 cm），并清除該方向標志位。否則，繼續(xù)上述過程。 b.間斷軌跡判定：當中心傳感器e狀態(tài)為“0”，而某一方向傳感器的狀態(tài)為“1”時，說明物體正處在間斷軌跡上，這時繼續(xù)向此方向走動12步（1.2 cm，大于間斷曲線之間的距離1 cm），若中心傳感器的檢測狀態(tài)為“1”則根據(jù)上述方法判定軌跡形態(tài)，繼續(xù)跟蹤；若不能檢測到任何狀態(tài)，當所有方向傳感器都檢測不到任何有效信息時，判斷軌跡跟蹤結束。 2.2.3 供電部分的設計 電源模塊 電

47、源模塊的電路圖如圖2.7所示：系統(tǒng)通電后，交流電壓220V經(jīng)過變壓器變換成交流電壓14V，經(jīng)過整流，濾波，可調(diào)式三端穩(wěn)壓器LM317和三端穩(wěn)壓器7805分別得到12V和 5V的穩(wěn)定電壓。 LM317系列穩(wěn)壓器能在輸出電壓為1.25～37V的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，其芯片內(nèi)也有過流、過熱和安全工作區(qū)保護。最大輸出電流為1.5A。輸出電壓Uo的表達式為： Uo=1.25（1+RP1/R1） 式中，R1=100Ω，輸出端與調(diào)整端壓差為穩(wěn)壓器的基準電壓（典型值為1.25V），Uo=12V,RP1=(12/1.25-1)*R1=860Ω,取RP1為一個5.1K的電位器。

48、 圖2.7系統(tǒng)電源電路圖 3.軟件設計 系統(tǒng)的軟件設計采用高級語言，C語言編寫的，對單片機編程實現(xiàn)各項功能，程序是在Windows 2000環(huán)境下采用 Keil uVision 2軟件編寫的，可以實現(xiàn)單片機對紅外傳感器的查詢、電機方向的確定等功能。 電動機 電動機 L1 L2 圖3.1 整體框架 原點 80cm 15 cm 15cm 15cm 100cm 15cm

49、 如圖3.1所示，建立數(shù)學模型： L1= L2= (0<=x<=80cm;0<=y<=100cm) 控制思想： 設定左邊電機控制L1的長度，右邊電機控制L2的長度，通過電動機順時針或者逆時針轉動放線或者收線（跟繞線方向有關），以此改變L1和L2的長度。當X方向或Y方向改變了一個單位長度，通過上述關系式得到L1和L2的值，與未運動之前的數(shù)值進行比較，得出的差值轉換成電機的動作。根據(jù)此數(shù)學模型，有兩種算法可以實現(xiàn)物體的運動。 （1）

50、逐點比較法 原理：計算機在控制加工過程中，能逐點的計算和判別加工誤差與規(guī)定的運動軌跡進行比較，由比較結果決定下一步的移動方向。 特點：運算直觀，插補誤差小于一個脈沖當量，輸出脈沖均勻而且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便。 (xe,ye) Y 圖3.2 直線示意圖 A C B O 工作節(jié)拍：偏差 判別 進給 x 直線上方（點Ａ），直線上（Ｂ點），直線下方（點Ｃ）。顯然，在點Ａ處，為使物體向輪廓直線靠攏，應＋Ｘ向走一步；Ｃ點處，應＋Ｙ向走一步；至

51、于Ｂ點，看來兩個方向均可以，但考慮編程時的方便，現(xiàn)規(guī)定往＋Ｘ向走一步。 Ｆ＝ＸeＹ－ＸＹe為原始的偏差計算公式（Ｘ，Ｙ為當前插補點動態(tài)坐標; Ｘe,Ｙe為終點坐標），Ｆ稱為偏差，每走一步到達新位置點，就要計算相應的Ｆ值。 顯然，Ｆ≥0時，須＋X向走一步；Ｆ＜0時，須＋Ｙ向走一步。為方便編程和提高計算速度，現(xiàn)對偏差Ｆ的計算公式加以簡化： 插補點位于Ａ、Ｂ點時，走完下一步（＋Ｘ）， 動態(tài)坐標變?yōu)椋海ǎ兀剑兀?，Ｙ＝Ｙ）? 新偏差變?yōu)椋海苙＝ＸeＹ－（Ｘ＋１）Ｙe＝ＸeＹ－ＸＹe－Ｙe＝Ｆ－Ｙe。 這個公式比Ｆ＝ＸeＹ－ＸＹe計算要方便。 因此：走完＋Ｘ后：偏差計算公式為Ｆn＝Ｆ－Ｙe

52、； 走完＋Ｙ后：偏差計算公式為Ｆn＝Ｆ＋Ｘe。 基本軟件流程圖如圖3.3所示： 開始 偏差判別 坐標進給 偏差計算 結束 終點? 圖3.3 插補算法流程圖 N Y （2）數(shù)字積分法 數(shù)字積分法(DDA)就是使用一系列的小矩形面積之和來近似輪廓曲線函數(shù)積分的整個面積。 物理意義：使動點沿速度矢量的方向前進。

53、 特點：脈沖源每產(chǎn)生一個脈沖，就控制被積函數(shù)進入累加器作一次累加(積分)運算，累加和一旦超過累加器的容量，就產(chǎn)生溢出脈沖，并控制相應坐標進給相當于一個脈沖當量的位移量。 經(jīng)過比較，逐點比較法簡單、直觀，所以選用逐點比較法來實現(xiàn)各種運動形式。 3.1直線運動 由上述分析，我們采用逐點比較法實現(xiàn)物體的直線運動。當從鍵盤輸入直線的終點坐標時，根據(jù)算法對單片機編程，控制電機的運轉，以實現(xiàn)懸掛物體的直線運動。直線運動分為左上、左下、右上、右下四種情況。如圖3.4所示：不同方向的直線運動，下一步的走向有所不同，但總體流程相似。 X Y Y X 圖3.4 直線的運動形式

54、 程序流程圖如圖3.5所示： 其中，直線的起點坐標：（x0,y0），終點坐標：（x1,y1），實時坐標：（x8,y8）。 Fm=(x1-x8)*(y0-y8)-(yl-y8)*(x0-x8) x1>=x0&& y1>=y0 Fm<=0 Y x0+=1 y0+=1 x1>x0&& y1

55、 y1>y0 x1

56、5 直線流程圖 3. 2自行設定軌跡運動 在平面內(nèi)自行設定任意軌跡運動。我們設定的軌跡為“M”字樣，主要是考慮到“M”這種軌跡基本上包含了各種直線運動方向，完成折線的運動。且設定兩邊長度為42.5 cm，中間兩段長度36cm，整個路程長159 cm，大于題目要求的100 cm，程序中調(diào)用4段直線運動即可。 3. 3 圓周運動 方法1：我們已經(jīng)知道，一個圓周可以分成若干段圓弧，可以利用圓弧的算法來實現(xiàn)圓周運動。每段圓弧可通過逐點比較法和數(shù)字積分法來實現(xiàn)，兩者的原理前面已經(jīng)詳述，這里不再贅述。 我們繼續(xù)采用逐點比較法，但對圓弧算法有稍稍不同，現(xiàn)以圓心為原點的第一象限順圓為例

57、介紹，如圖3.6所示： 圖3.6 第一象限順圓 Y A B C X 輪廓線外面（點Ａ），輪廓線上（Ｂ點），輪廓線里面（點Ｃ）。顯然，在點Ａ處，為使懸掛物體向輪廓圓弧靠攏，應－Y向走一步；Ｃ點處，應＋X向走一步；至于Ｂ點，看來兩個方向均可以，但考慮編程時的方便，現(xiàn)規(guī)定往－Y向走一步。原始的偏差計算公式為：F＝Ｘ2＋Y2－R2（X，Y為當前插補點動態(tài)坐標）。 顯然，Ｆ＜0時，須+Ｘ向走一步；F≥0時，須-Y向走一步。為方便編程和提高計算速度，對偏差Ｆ的計算公式加以簡

58、化： 插補點位于Ａ、Ｂ點時，走完下一步（－Y）， 動態(tài)坐標變?yōu)椋海╔＝X，Y＝Y－１）， 新偏差變?yōu)椋篎n＝X2＋（Y-1）2－R2＝F－2Y＋１。 插補點位于Ｃ點時，走完下一步（＋X）， 動態(tài)坐標變?yōu)椋海╔＝X＋１，Y＝Y）， 新偏差變?yōu)镕n＝（X＋１）2＋Y2－R2=F＋2X＋１。 因此：走完－Y后：偏差計算公式為Fn＝F－2Y＋１， 動態(tài)坐標修正為Y＝Y－１； 走完＋X后：偏差計算公式為Fn＝F＋2X＋１， 動態(tài)坐標修正為X＝X＋１。 流程圖如圖3.7所示：

59、 初始化 延時 F>=0? -Y走步 +X走步 F=F-2Y+1 Y=Y-1 F=F+2X+1 X=X+1 到終點? 結束 圖3.7 圓弧的插補流程圖 Y N N 方法2

60、：圓周上取點。把圓劃分成若干個點組成，再按順序把點連接起來，即可獲得圓周的軌跡，取的點越多，物體的運動軌跡越接近圓。如下圖所示， 我們以8個點進行講述： 假設物體的半徑為r0，圓心坐標為(x0,y0)， 物體逆時針畫圓, 并設A點為起始點，則物體可按逆時針從A點運動到B點 A B H C G D F E 計算公式如下： A(x0,y0+r0)： L1(A)= L2(A)= 對于B點:

61、 L1(B)= L2(B)= 從上式可得到兩點之間的距離差,即可換算成脈沖數(shù)和電機運轉方向,其余點雷同。 所有計算均可按照通式: L1()= L2()= 來進行。 為了減小誤差必須增加所取點數(shù)，這樣計算將非常復雜，不宜采用。 基于上述分析，采用逐點比較法來實現(xiàn)圓周運動。根據(jù)順圓，逆圓和所處位置不同來考慮。 (x0,y0) R0

62、 Y Ⅲ Ⅱ Ⅰ Ⅳ X 我們所畫的是順圓，逆圓流程圖與其相似，只是X，Y方向的動作有所區(qū)別。 圖中：(x0,y0)為圓心坐標，Ⅰ區(qū)坐標點范圍為x0

63、點范圍為x0-r=0 I區(qū) II區(qū) III區(qū) IV區(qū) Fm>=0 Fm>=0 Fm>=0 到終點 Xq-=1 Yq-=1 Xq+=1 Xq+=1 Yq+=1 Yq-=1 Yq+=1 Xq-=1 初始化 （X0，Y0，r，Xq，Yq，Xz，Yz） Y N Y N Y Y N N Y N Y Y N Y N

64、 N 圖3.8 圓的流程圖 3.4 軌跡跟蹤子程序 根據(jù)跟蹤思想，子程序框圖如圖3.9所示： 初始化 根據(jù)總體運動方向和傳感器狀態(tài)判斷走向 物體總體運動方向的判斷 向相應的方向走一步（0.1Cm） 到斷點 根據(jù)總體運動方向和傳感器狀態(tài)判斷走向 向相應的方向走十二步（1.2Cm） 尋跡結束+- 結束 Y N Y N 圖3.9 軌跡跟蹤子程序 3.5 其他子程序 鍵盤子程序：

65、任意設定坐標點參數(shù)，并能對輸入數(shù)據(jù)的合法性進行校驗。 液晶顯示子程序：實時顯示物體所在位置坐標值并同步顯示物體的運動軌跡。 光指示子程序：按下確認鍵物體開始運動，點亮發(fā)光二極管；物體停止運動時，熄滅發(fā)光二極管。 4.系統(tǒng)測試 為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，我們對系統(tǒng)進行了實際的測試。 4.1測試儀器設備 測試使用的儀器設備如表4.1所示： 表4.1 儀器設備 序號 名稱,型號,規(guī)格 數(shù)量 備注 1 數(shù)字示波器 1 Tektronix TDS2012 泰克科技（中國）有限公司 2 秒表精度0.01s 1 上海秒表廠 3 軟尺最大測量距離200cm,

66、最小量程0.1cm 1 河南虞城華星量具有限公司 4 數(shù)字萬用表 1 優(yōu)利得有限公司 4.2 測試方法和結果 （1）鍵盤輸入 測試方法：手動任意設定坐標點參數(shù)。 測試結果：鍵盤輸入情況如表4.2所示，單位：cm 表4.2 鍵盤輸入的測試 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 輸入值 x =12，y =25 x =75，y =63 x =90，y =25 x =20，y =90 x =20，y =105 顯示值 x =12，y =25 x =75，y =63 Error! x =20，y =90 Error! （2） 自行設定軌跡運動 我們選定的軌跡為“M”字樣的軌跡。 測試方法： 執(zhí)行時間T：前面已經(jīng)提及，當確認鍵按下后，物體開始按要求運動，發(fā)光二極管被點亮，點亮瞬間開始計時，物體停止運動時發(fā)光二極管熄滅，熄滅瞬間停止計時。 則此種運動的執(zhí)行時間T = 二極管的點亮時間； 測試結果：預設軌跡運動測試情況如表4.3所示： 表4.3自行設定軌跡運動的測試 第一次 第