自由擺平板控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

摘要：文章給出了一個(gè)基于自由擺的平板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，系統(tǒng)以STC12C5A16S2型單片機(jī)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(jìn)電機(jī)42BYGH4417及必要的外圍驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)平板隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，平板上的8枚硬幣隨擺桿擺動(dòng)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(jī)；角度傳感器；DDS；步進(jìn)電機(jī)

0 引言
    現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制理論的飛速發(fā)展，能夠使得人們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)如下功能：(1)控制電機(jī)使平板隨著擺桿的擺動(dòng)(3～5周)而旋轉(zhuǎn)，擺桿擺一個(gè)周期，平板旋轉(zhuǎn)一周(360°)，偏差絕對(duì)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(dòng)擺桿至一個(gè)角度θ(θ在45°～60°間)，調(diào)整平板角度，啟動(dòng)后放開擺桿讓其自由擺動(dòng)。在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中，硬幣在擺桿的5個(gè)擺動(dòng)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(shí)，調(diào)節(jié)靶子高度，使光斑照射在靶紙的某一條線上，標(biāo)識(shí)此線為中心線。用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度θ(θ在30°～60°間)，啟動(dòng)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(duì)值<1cm)，完成時(shí)以LED指示。

1 系統(tǒng)方案選擇與論證
1．1 電機(jī)模塊的選擇與論證
    電機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)用于控制的不可缺少部分。電機(jī)的選擇不但要有快速的反應(yīng)還要有準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以配合整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。
    方案一：采用普通直流電機(jī)。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。
    方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)就是能快速啟動(dòng)和停止，而且在程序上控制相對(duì)容易，如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)。另一個(gè)顯著特點(diǎn)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(jī)，舵機(jī)具有體積小、輸出力矩大、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但不能簡(jiǎn)單完成轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性?？刂破饕筮\(yùn)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(jī)價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單、軟件編程自由度大，可用編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制，但其運(yùn)算速度較低，增大了硬件電路設(shè)計(jì)與控制過(guò)程的復(fù)雜度。
    方案二：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大、密度高。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢(shì)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(shí)其芯片引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)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(jìn)行平板的角度檢測(cè)，是一種被測(cè)量參數(shù)能按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器是與被測(cè)對(duì)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(cè)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(wú)觸點(diǎn)磁敏電位器，利用磁敏元件非接觸地感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的測(cè)量。但缺點(diǎn)是其頻響特性差、截止頻率低、精度低，不適用于機(jī)械安裝，電機(jī)的振動(dòng)也影響其準(zhǔn)確性。
    方案二：采用加速度計(jì)，通過(guò)加速度計(jì)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(jiǎn)便，傳感器體積較小，也易于安裝在系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)量。
    綜合以上，選擇方案二。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，此系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)，它由自由擺系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和控制驅(qū)動(dòng)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(jì)平板轉(zhuǎn)動(dòng)后，通過(guò)傳感器形成的加速度值經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換，作為單片機(jī)的輸入數(shù)據(jù)，原理圖如圖3所示。單片機(jī)STC12C5A16 S2利用其I／O口，輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)DDS模塊，產(chǎn)生頻率精確、寬度可調(diào)的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)可使高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片THB6128驅(qū)動(dòng)42BYGH4417完成步進(jìn)運(yùn)行，原理圖如圖4所示。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟停等多種工作狀態(tài)的快速準(zhǔn)確控制，最終使平板達(dá)到自由擺系統(tǒng)中的規(guī)定位置。我們利用按鍵來(lái)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(gè)功能完成時(shí)利用LED指示結(jié)束。

2．2 平板隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)
    單片機(jī)STC12C5A16S2采用內(nèi)部定時(shí)器方式2工作，獲得不同周期的時(shí)鐘，T=(2s-N)／SYCLK。
    自由擺周期擺動(dòng)時(shí)，平板需在單個(gè)周期內(nèi)完成360°旋轉(zhuǎn)。由自由擺擺動(dòng)周期可知，擺長(zhǎng)L=1m，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9．76m／s，則擺動(dòng)周期T=2．011s。
    兩相四線混合式步進(jìn)電機(jī)42BYGH4417利用芯片THB6128對(duì)其步距角進(jìn)行細(xì)分。步距角為1．8°，細(xì)分?jǐn)?shù)為A，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度a°時(shí)，PWM脈沖個(gè)數(shù)N=a*A／1．8。步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)為N時(shí)，脈沖頻率f與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間T間的關(guān)系為N=f*T。
    綜上所述，若細(xì)分?jǐn)?shù)A=128，則DDS模塊需要產(chǎn)生頻率f=12．73kHz的脈沖信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器編程即可實(shí)現(xiàn)。考慮到外界壓力、空氣阻力等狀況，可多次試驗(yàn)調(diào)試，適當(dāng)增加頻率f即可實(shí)現(xiàn)單擺一個(gè)周期擺動(dòng)時(shí)，平板旋轉(zhuǎn)一周。
2．4 硬幣的穩(wěn)定控制
    我們?cè)谄桨迳席B放8個(gè)一元的硬幣，當(dāng)單擺從角度θ開始擺動(dòng)時(shí)，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(gè)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(jìn)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(dāng)硬幣繞懸點(diǎn)做變速圓周運(yùn)動(dòng)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(dāng)擺球的回復(fù)力。在此種情況下即可保證硬幣隨擺桿擺動(dòng)而不滑落。為了達(dá)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(dāng)擺桿被推到角度θ時(shí)，角度傳感器將偏離角度讀入到單片機(jī)，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(jì)算可知，當(dāng)擺桿處于近離中心線位置(左圖)時(shí)，；當(dāng)擺桿處于遠(yuǎn)離中心線位置(右圖)時(shí)，。
    設(shè)定t秒完成定位，則利用平板隨擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)中所示方法，可得PWM脈沖個(gè)數(shù)，從而得到DDS模塊需要產(chǎn)生的脈沖頻率，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器方式2工作，完成DDS的輸出。
2．6 程序的設(shè)計(jì)流程圖
    主程序流程圖、步進(jìn)電機(jī)控制程序流程圖、自動(dòng)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(jìn)電機(jī)對(duì)平板的控制，完成了平板隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，8枚硬幣隨擺桿擺動(dòng)不滑落，激光筆在15s內(nèi)定位中心線的功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，效果均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。