基于自由擺的平板精確控制與激光追蹤系統(tǒng)

摘要：以TI公司的MSP430F5438單片機(jī)為控制核心，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)和精密電位器WDD35D-4，實(shí)現(xiàn)了基于自由擺的平板控制與激光追蹤系統(tǒng)。當(dāng)擺桿擺角為45°～60°時(shí)，平板可以承載8枚一元硬幣，并在5個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)維持穩(wěn)定；當(dāng)擺桿擺角為30°～60°時(shí)，固定在擺桿平板上的激光筆可以在15 s內(nèi)找到并跟蹤1．5 m遠(yuǎn)處的靶心。
關(guān)鍵詞：MSP430F5438；激光追蹤；精密電位器；自由擺

引言
    隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于嵌入式系統(tǒng)的自動(dòng)控制在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械復(fù)雜度越來(lái)越高，單純?cè)陟o止條件下的自動(dòng)控制已經(jīng)不能滿足人們對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的要求，因此，研究如何在動(dòng)態(tài)條件下對(duì)系統(tǒng)實(shí)施精確測(cè)量與控制是十分必要的。本文介紹了一種基于自由擺的平板精確控制與激光追蹤系統(tǒng)。在現(xiàn)代工業(yè)中，這種系統(tǒng)可以適應(yīng)工業(yè)發(fā)展，應(yīng)用在復(fù)雜度較高的自動(dòng)化生產(chǎn)中，在生產(chǎn)過(guò)程中可以同時(shí)完成測(cè)量與控制，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制模塊、采集模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)、自由擺平板和激光筆，以及調(diào)試模塊組成。其中，采集模塊采用WDD35D-4精密電位器，當(dāng)自由擺擺桿擺動(dòng)時(shí)，電位器的阻值會(huì)發(fā)生變化，從而反應(yīng)擺桿的位置信息?？刂颇K采用低功耗單片機(jī)MSP430F5438作為處理器，MSP430F5438內(nèi)置A／D模塊，可以采集精密電位器反饋的模擬信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用東芝公司的TB6560芯片，該芯片是低功耗、高集成兩相混合式驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，用以控制自由擺平板和激光筆的位置。調(diào)試模塊用于控制模塊程序下載與系統(tǒng)調(diào)試，正常工作時(shí)不使用。

1．2 自由擺機(jī)械結(jié)構(gòu)
    自由擺機(jī)械主要由固定支架、轉(zhuǎn)軸、擺桿、電機(jī)、平板、激光筆構(gòu)成，如圖2(a)所示。自由擺轉(zhuǎn)軸上連接有精密電位器作為擺桿角度傳感器，電機(jī)固定在擺桿底部，平板固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。自由擺擺動(dòng)示意圖如圖2(b)所示，在平板上放置8枚一元硬幣，在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)和平板也會(huì)隨擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使硬幣穩(wěn)定在平板上。同時(shí)，在平板下方與平板平行的方向固定有激光筆，通過(guò)系統(tǒng)控制，可以實(shí)現(xiàn)在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中激光筆跟蹤預(yù)設(shè)目標(biāo)的功能。

2 理論分析
2．1 自由擺精確控制理論
    在平板中心穩(wěn)定放置8枚1元硬幣(人民幣)，抬起擺桿讓擺桿與支架成一定角度θ(45°≤θ≤60°)，放開(kāi)擺桿讓其自由擺動(dòng)。自由擺精確控制必須達(dá)到以下目標(biāo)：在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中，要求控制平板狀態(tài)，使硬幣在5個(gè)擺動(dòng)周期中不會(huì)從平板上滑落，并盡量減少滑離平板的中心位置。
    要達(dá)到以上目的，電機(jī)必須根據(jù)相關(guān)參數(shù)控制平板的角度，保證擺桿擺動(dòng)過(guò)程中硬幣的受力平衡。分析自由擺擺動(dòng)過(guò)程，精確控制主要得保證從擺桿初始位置到平板與擺桿垂直(該狀態(tài)無(wú)須主動(dòng)控制硬幣即可受力平衡)的過(guò)程中，硬幣保持相對(duì)穩(wěn)定。
2．2 激光追蹤理論
    激光追蹤示意圖如圖3所示。在距離自由擺1．50 m距離處垂直放置靶子，當(dāng)擺桿垂直靜止且平板處于水平時(shí)，調(diào)節(jié)靶子高度，使激光筆光斑照射在靶子的中心。用手推動(dòng)擺桿，支架與擺桿角度為θ(θ為30°～60°)。放開(kāi)擺桿，系統(tǒng)應(yīng)控制平板在15 s內(nèi)盡量使激光筆照射在中心線上(偏差絕對(duì)值<1 cm)，這就是激光追蹤理論的目標(biāo)。圖3中，b為自由擺擺桿靜止時(shí)平板中心(激光筆固定點(diǎn))到靶子中心的線段；a為θ的角平分線與線段b的交點(diǎn)到激光筆固定點(diǎn)的線段；c是激光筆固定點(diǎn)到靶子中心的線段；γ為線段a、c的夾角。

    圖3中，擺桿與支架的角度θ可以通過(guò)轉(zhuǎn)軸上的精密電位器測(cè)量，轉(zhuǎn)換成的模擬電壓值輸出給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)置的A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，計(jì)算出相應(yīng)的角度θ。為了使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光追蹤功能，必須使激光筆發(fā)射的激光始終打在靶心位置。由于激光筆固定在平板下方，并且與平板方向平行，在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中我們通過(guò)控制γ來(lái)實(shí)現(xiàn)追蹤功能。結(jié)合幾何運(yùn)算，對(duì)θ與γ之間的關(guān)系進(jìn)行分析：
    a=tanθ／2
    b=1．5-a
    c2=a2+b2-2ab cosθ
    sinθ／c=sinγ／b
    角度γ即平板的傾角，由于平板固定在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，因而角度γ也是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。通過(guò)以上分析，可以知道，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)激光追蹤的功能必須滿足θ與γ之間存在sin θ／c=sin γ／b這一關(guān)系。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，單片機(jī)不斷接收精密電位器采集的θ值，然后進(jìn)行
分析運(yùn)算，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度γ。由于MSP430F5438不含浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算單元，處理數(shù)據(jù)能力較弱，且會(huì)占用CPU大量的工作時(shí)間，所以在程序的編寫(xiě)過(guò)程中，采用查表法來(lái)優(yōu)化程序。以θ為已知量，γ為未知數(shù)運(yùn)用MATLAB求解，得到θ與γ的關(guān)系，如表1所列。在程序運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)單片機(jī)每讀到一個(gè)θ值，通過(guò)查表即可知道與之對(duì)應(yīng)的γ值。

3 系統(tǒng)硬件方案
3．1 電源模塊
    本系統(tǒng)電源電路采用LM2596與LM1117-3．3組合構(gòu)成。LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性；采用150 kHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器，功率小、效率高；LM1117-3．3是低壓差線性電壓調(diào)節(jié)器，可以固定輸出3．3 V電壓，輸出電流可達(dá)800 mA。MSP430F5438單片機(jī)最小系統(tǒng)需要3．3V供電，因此采用LM1117-3．3給單片機(jī)供電。
3．2 數(shù)據(jù)采集模塊
    本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用WDD35D-4精密電位器，精密電位器由一個(gè)電阻體和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(或滑動(dòng))系統(tǒng)組成。當(dāng)電阻體的兩個(gè)固定觸點(diǎn)之間外加一個(gè)電壓時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)(或滑動(dòng))系統(tǒng)改變觸點(diǎn)在電阻體上的位置，在動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)之間便可得到一個(gè)與動(dòng)觸點(diǎn)位置成一定關(guān)系的電壓。利用MSP430F5438單片機(jī)內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器讀取精密電位器兩端電壓值，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。
3．3 控制模塊
    選擇MSP430F5438單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結(jié)果控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6560，最終控制步進(jìn)電機(jī)按要求轉(zhuǎn)動(dòng)。MSP430系列單片機(jī)是16位單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可參加多種運(yùn)算，同時(shí)具有高效的查表處理指令。MSP430F15438是基于閃存的產(chǎn)品系列，具有集成外設(shè)USB、模擬比較器、DMA、硬件乘法器、RTC、USCI、12位DAC等。
3．4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用東芝公司的低功耗、高集成兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6560。其主要特點(diǎn)有：內(nèi)部集成雙橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，最高耐壓40 V，單相輸出最大電流為3．5 A。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示，引腳VMA、VMB是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源引腳。OUT_AP、OUT AM、OUT BP、OUT_BM引腳分別與步進(jìn)電機(jī)的兩相接口相連，當(dāng)芯片輸入端接收到單片機(jī)輸入信號(hào)時(shí)，這4個(gè)引腳會(huì)執(zhí)行單片機(jī)的命令使步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。NFA、NFB分別為電機(jī)A、B相電路檢測(cè)端，所接電阻為0．2 Ω。PGNDA、PGNDB、SGND則是地線引腳。通過(guò)單片機(jī)MSP430F5438的I／O口與TB6560芯片的CLK、ENABLE、CW／CWW引腳相連，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    由于系統(tǒng)功能有兩個(gè)，需要在不同的模式下運(yùn)行，故程序設(shè)計(jì)采用狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)編碼開(kāi)關(guān)的不同狀態(tài)，進(jìn)入不同的模式控制，具體設(shè)計(jì)流程如圖5所示。程序開(kāi)始后，掃描編碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)掃描到編碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)為狀態(tài)1時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行平板控制命令；當(dāng)系統(tǒng)掃描到編碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)為狀態(tài)2時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行激光追蹤命令。

5 系統(tǒng)測(cè)試
5．1 平板控制測(cè)試
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)系統(tǒng)平板控制功能的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法為直接計(jì)數(shù)法。將單擺拉至60°，在平板上放置8枚硬幣，松開(kāi)單擺，記錄單擺擺動(dòng)5個(gè)周期后平板上剩余硬幣的數(shù)目。統(tǒng)計(jì)結(jié)果用直方圖表示，如圖6所示。其中，橫坐標(biāo)表示平均每次剩余硬幣數(shù)目，縱坐標(biāo)表示測(cè)試次數(shù)。測(cè)試表明，隨著測(cè)試次數(shù)的增加，平均剩余硬幣數(shù)目也隨著增加，平板控制功能趨向穩(wěn)定。

5．2 激光追蹤測(cè)試
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)系統(tǒng)激光追蹤功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方案選用多次測(cè)量取平均值的方法。按圖3所示，在靶紙上確定靶心的位置，打開(kāi)激光筆；啟動(dòng)系統(tǒng)，在自由擺擺動(dòng)過(guò)程中，觀察并記錄激光筆在靶紙上的紅色光斑與靶心的最大距離，這個(gè)最大距離就是本激光追蹤系統(tǒng)的誤差。按照上述方法多次測(cè)量，統(tǒng)計(jì)后得出激光追蹤系統(tǒng)的誤差范圍和穩(wěn)定程度。具體結(jié)果如圖7所示，其中橫坐標(biāo)表示誤差大小，縱坐標(biāo)表示測(cè)試次數(shù)。經(jīng)計(jì)算誤差平均值為0．13 cm。測(cè)試表明，隨著測(cè)試次數(shù)的增加，誤差平均值逐漸減小，激光追蹤性能較為穩(wěn)定。

結(jié)語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)基于自由擺，以MSP430F5438單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了精確控制與激光追蹤系統(tǒng)，通過(guò)MATLAB建模實(shí)現(xiàn)了硬件與軟件的結(jié)合。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在誤差允許的范圍內(nèi)驗(yàn)證了系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)基于單擺的平板精確控制與激光追蹤功能。