自由擺平板控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計

摘要：文章給出了一個基于自由擺的平板控制系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建，系統(tǒng)以STC12C5A16S2型單片機為控制核心，經(jīng)角度傳感器MMA7455、直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)、混合式步進電機42BYGH4417及必要的外圍驅(qū)動電路，實現(xiàn)平板隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)，平板上的8枚硬幣隨擺桿擺動不滑落，平板上的激光筆在15s內(nèi)照射到指定的中心線位置。
關(guān)鍵詞：自由擺；單片機；角度傳感器；DDS；步進電機

0 引言
    現(xiàn)代檢測技術(shù)和自動控制理論的飛速發(fā)展，能夠使得人們設(shè)計高精度的控制系統(tǒng)，基于自由擺的平板控制系統(tǒng)就是這些技術(shù)和理論的應(yīng)用實例之一。
    本文所討論的自由擺平板控制系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)如下功能：(1)控制電機使平板隨著擺桿的擺動(3～5周)而旋轉(zhuǎn)，擺桿擺一個周期，平板旋轉(zhuǎn)一周(360°)，偏差絕對值小于45°。(2)在平板上粘貼一張打印紙，在平板中心穩(wěn)定疊放8枚1元硬幣，用手推動擺桿至一個角度θ(θ在45°～60°間)，調(diào)整平板角度，啟動后放開擺桿讓其自由擺動。在擺桿擺動過程中，硬幣在擺桿的5個擺動周期中不從平板上滑落，并保持疊放狀態(tài)。(3)在平板上固定一激光筆，光斑照射在距擺桿150cm距離處垂直放置的靶子上。擺桿垂直靜止且平板處于水平時，調(diào)節(jié)靶子高度，使光斑照射在靶紙的某一條線上，標識此線為中心線。用手推動擺桿至一個角度θ(θ在30°～60°間)，啟動后，系統(tǒng)應(yīng)在15s內(nèi)控制平板盡量使激光筆照射在中心線上(偏差絕對值<1cm)，完成時以LED指示。

1 系統(tǒng)方案選擇與論證
1．1 電機模塊的選擇與論證
    電機是整個系統(tǒng)用于控制的不可缺少部分。電機的選擇不但要有快速的反應(yīng)還要有準確的轉(zhuǎn)動角度以配合整個系統(tǒng)的運行。
    方案一：采用普通直流電機。直流電機具有良好的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。
    方案二：采用步進電機。步進電機的顯著特點就是能快速啟動和停止，而且在程序上控制相對容易，如果負荷不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能使步進電機啟動和反轉(zhuǎn)。另一個顯著特點就是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。
    方案三：采用金屬齒輪微型舵機，舵機具有體積小、輸出力矩大、控制簡單等優(yōu)勢，但不能簡單完成轉(zhuǎn)動360°的要求。
    綜合以上，選擇方案二。
1．2 控制器系統(tǒng)的選擇與論證
    控制器系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，控制著數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，控制器的性能好壞決定了整個系統(tǒng)的準確性?？刂破饕筮\算速度較快，數(shù)據(jù)傳輸接口豐富易用。
    方案一：采用STC12C5A16S2作為控制核心。51單片機價格低廉、使用簡單、軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制，但其運算速度較低，增大了硬件電路設(shè)計與控制過程的復雜度。
    方案二：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大、密度高。但由于本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時其芯片引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。
    綜合以上，選擇方案一。
1．3 傳感器的選擇與論證
    傳感器能進行平板的角度檢測，是一種被測量參數(shù)能按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器是與被測對象直接有關(guān)聯(lián)的部分，其性能的優(yōu)劣直接影響著檢測系統(tǒng)的精度，所以傳感器的正確選擇十分關(guān)鍵。
    方案一：采用無觸點磁敏電位器，利用磁敏元件非接觸地感應(yīng)磁場強度的變化，實現(xiàn)對角度的測量。但缺點是其頻響特性差、截止頻率低、精度低，不適用于機械安裝，電機的振動也影響其準確性。
    方案二：采用加速度計，通過加速度計的旋轉(zhuǎn)，輸出值g，與平衡位置比較，可換算成水平傾角，讀取數(shù)據(jù)簡便，傳感器體積較小，也易于安裝在系統(tǒng)上進行測量。
    綜合以上，選擇方案二。

2 系統(tǒng)設(shè)計
2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2所示，此系統(tǒng)是一個自動平衡測試系統(tǒng)，它由自由擺系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制驅(qū)動系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。

2．2 系統(tǒng)的工作流程
    系統(tǒng)硬件設(shè)計平板轉(zhuǎn)動后，通過傳感器形成的加速度值經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，作為單片機的輸入數(shù)據(jù)，原理圖如圖3所示。單片機STC12C5A16 S2利用其I／O口，輸出信號來驅(qū)動DDS模塊，產(chǎn)生頻率精確、寬度可調(diào)的脈沖信號。該脈沖信號可使高細分兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片THB6128驅(qū)動42BYGH4417完成步進運行，原理圖如圖4所示。從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟停等多種工作狀態(tài)的快速準確控制，最終使平板達到自由擺系統(tǒng)中的規(guī)定位置。我們利用按鍵來選擇不同的工作模式，利用LCD顯示角度傳感器的數(shù)值，各個功能完成時利用LED指示結(jié)束。

2．2 平板隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)
    單片機STC12C5A16S2采用內(nèi)部定時器方式2工作，獲得不同周期的時鐘，T=(2s-N)／SYCLK。
    自由擺周期擺動時，平板需在單個周期內(nèi)完成360°旋轉(zhuǎn)。由自由擺擺動周期可知，擺長L=1m，當?shù)刂亓铀俣萭=9．76m／s，則擺動周期T=2．011s。
    兩相四線混合式步進電機42BYGH4417利用芯片THB6128對其步距角進行細分。步距角為1．8°，細分數(shù)為A，則步進電機轉(zhuǎn)動角度a°時，PWM脈沖個數(shù)N=a*A／1．8。步進電機脈沖數(shù)為N時，脈沖頻率f與轉(zhuǎn)動時間T間的關(guān)系為N=f*T。
    綜上所述，若細分數(shù)A=128，則DDS模塊需要產(chǎn)生頻率f=12．73kHz的脈沖信號，通過單片機內(nèi)部定時器編程即可實現(xiàn)?？紤]到外界壓力、空氣阻力等狀況，可多次試驗調(diào)試，適當增加頻率f即可實現(xiàn)單擺一個周期擺動時，平板旋轉(zhuǎn)一周。
2．4 硬幣的穩(wěn)定控制
    我們在平板上疊放8個一元的硬幣，當單擺從角度θ開始擺動時，控制平板由水平快速同步到圖5所示位置，則硬幣整體受到一個豎直向下的重力和始終沿桿方向變化的支持力，將這些力沿垂直和平行于速度方向進行分解。其中，垂直于速度方向上的力使硬幣的速度方向發(fā)生改變，充當硬幣繞懸點做變速圓周運動的向心力。平行于速度方向上的力使硬幣的速度大小發(fā)生改變，充當擺球的回復力。在此種情況下即可保證硬幣隨擺桿擺動而不滑落。為了達到放手后平板快速同步，我們將開啟開關(guān)安裝在擺桿上，放手即開啟。

2．5 激光筆的定位
    開啟系統(tǒng)，讓平板上的激光筆初始化到指定中心線位置。當擺桿被推到角度θ時，角度傳感器將偏離角度讀入到單片機，要完成快速定位，激光筆需旋轉(zhuǎn)角度γ，如圖6所示。

    經(jīng)計算可知，當擺桿處于近離中心線位置(左圖)時，；當擺桿處于遠離中心線位置(右圖)時，。
    設(shè)定t秒完成定位，則利用平板隨擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)中所示方法，可得PWM脈沖個數(shù)，從而得到DDS模塊需要產(chǎn)生的脈沖頻率，通過單片機內(nèi)部定時器方式2工作，完成DDS的輸出。
2．6 程序的設(shè)計流程圖
    主程序流程圖、步進電機控制程序流程圖、自動旋轉(zhuǎn)程序流程圖和平衡控制程序流程圖依次如圖7所示。

3 結(jié)論
    本文介紹了一種基于自由擺的平板控制系統(tǒng)，完成了步進電機對平板的控制，完成了平板隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)，8枚硬幣隨擺桿擺動不滑落，激光筆在15s內(nèi)定位中心線的功能。經(jīng)實驗測試，效果均達到了設(shè)計要求。