基于C8051F040單片機(jī)的承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)

引言

隨著現(xiàn)代科技不斷發(fā)展，人們對(duì)于各種基座平臺(tái)水平精度的要求也越來(lái)越高，而現(xiàn)有的一些光學(xué)儀器已不能滿足對(duì)一些工程、建筑、實(shí)驗(yàn)室和軍艦基座平臺(tái)進(jìn)行水平度檢測(cè)，針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，采用新華龍公司的C8051F040作為主控制器，設(shè)計(jì)出一個(gè)具有承重、傾角調(diào)節(jié)及液晶顯示、語(yǔ)音播報(bào)等功能的高精度電子承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)。電子承載平臺(tái)是一種承重、測(cè)量的設(shè)備，其工作原理是通過(guò)傾角傳感器將作用在承載平臺(tái)上的傾角大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，以數(shù)字量的形式在液晶顯示屏上顯示出來(lái)，并且系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平。

系統(tǒng)采用C8051F040作為控制核心，利用高精密傾角傳感器將傾角大小經(jīng)液晶屏顯示、語(yǔ)音播報(bào)輸出，并能通過(guò)外部設(shè)定自動(dòng)調(diào)整平臺(tái)的水平和傾斜。如何選擇承載平臺(tái)的支撐腿，穩(wěn)定速度和提高精度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。系統(tǒng)選用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降桿控制平臺(tái)傾角，速度調(diào)整靈活，承載力大，精度高。系統(tǒng)具有的功能包括：可承載1000克重的物品，平臺(tái)可沿任意方向在30°內(nèi)傾斜，能在8秒內(nèi)調(diào)平，調(diào)平精度＜2°，且具有人機(jī)交互顯示、語(yǔ)音播報(bào)等功能，是一個(gè)多功能的高精度平衡調(diào)整系統(tǒng)。

方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)可以劃分為穩(wěn)壓電源，單片機(jī)(MPU)，升降推桿，LCD顯示模塊，鍵盤控制模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊。系統(tǒng)模塊基本框圖如圖1所示。

圖1 承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)模塊基本框圖

升降推桿驅(qū)動(dòng)方式的選擇

升降推桿是一個(gè)重要的單元模塊。系統(tǒng)是通過(guò)調(diào)整位于矩形平臺(tái)三個(gè)邊角升降推桿的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)平面傾角的變化，升降推桿驅(qū)動(dòng)方式的好壞直接影響最終的結(jié)果，有如下兩種可選驅(qū)動(dòng)方案。

方案一：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋推桿

用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)物體的精確定位和方向控制。步進(jìn)電機(jī)是一種脈沖控制電機(jī)，它是一種能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可廣泛用于無(wú)需反饋控制但要求有精確位置的場(chǎng)合。該驅(qū)動(dòng)方式是以步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)螺桿的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)推桿的伸縮，達(dá)到改變平臺(tái)各點(diǎn)位置的目的。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確步長(zhǎng)，但輸出力矩低，速度慢，體積大，較笨重。

在實(shí)際操作中，螺桿標(biāo)準(zhǔn)件的螺紋間距小，要達(dá)到8秒內(nèi)迅速升降定位，需要電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到10轉(zhuǎn)/s，在實(shí)際測(cè)試中，步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速是3轉(zhuǎn)/s，無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)8秒內(nèi)調(diào)整傾角的要求。

方案二：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降推桿（見(jiàn)圖2）

圖2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降推桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

采用帶旋轉(zhuǎn)編碼器控制直流電機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，精度可以得到保證。但其驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，在短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。而直流減速電機(jī)具有轉(zhuǎn)速快，體積較小，重量輕，可直接使用單片機(jī)輸出PWM控制轉(zhuǎn)速和可控性好的特點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算，選擇減速電機(jī)以求較大力矩，即可滿足系統(tǒng)在時(shí)間指標(biāo)上的要求。

方案一可以達(dá)到高精度控制，但轉(zhuǎn)速無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，方案二可達(dá)到系統(tǒng)速度和精度設(shè)計(jì)要求，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，故采用方案二。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇

方案一：采用電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)。電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片TA8435可以用兩路PWM信號(hào)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，能夠較多地節(jié)省單片機(jī)資源，但致命的缺點(diǎn)是當(dāng)單片機(jī)速度變化較大時(shí)，電機(jī)很容易失控。

方案二：采用專用芯片L298N。響應(yīng)頻率高，一片可控制兩個(gè)直流電機(jī)，操作方便，穩(wěn)定性好，外圍電路簡(jiǎn)單，焊接容易。

因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用方案二。

電源模塊的選擇

方案一：采用干電池作為系統(tǒng)的電源，由于系統(tǒng)耗電量較大，使用干電池需經(jīng)常換電池，不符合節(jié)約型設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)所需采用機(jī)械部件多，系統(tǒng)平臺(tái)傾斜角大，電池總量大，使用干電池存有較大安全隱患。

方案二：采用24V可充電蓄電池電源，不僅功率可以滿足系統(tǒng)需求，不需要更換電池，而且比較輕便，使用更加安全可靠。

基于以上分析，電源模塊采用方案二。

顯示模塊和鍵盤模塊的選擇

本設(shè)計(jì)顯示模塊使用液晶顯示屏顯示時(shí)間和路程。12864M漢字LCD液晶顯示器的優(yōu)點(diǎn)：微功耗、尺寸小、超薄輕巧、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺(jué)舒適；可以用中文LCD液晶進(jìn)行菜單顯示，使整個(gè)控制系統(tǒng)更加人性化。而鍵盤模塊則選用4×4矩陣鍵盤。

傾角傳感器的選擇

本設(shè)計(jì)傾角傳感器采用SFT245AL雙軸傾角傳感器。該傳感器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大電路放大并濾波后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給MPU，校準(zhǔn)處理后轉(zhuǎn)化為傾角測(cè)試結(jié)果，測(cè)量范圍±45°，它具有零點(diǎn)設(shè)定，輸出頻率可調(diào)和波特率可選等功能。

語(yǔ)音芯片的選擇

該系統(tǒng)在語(yǔ)音播報(bào)上不需要長(zhǎng)時(shí)間的語(yǔ)音播放，為了減小成本，本設(shè)計(jì)語(yǔ)音芯片選用ISD1420，其錄音時(shí)間為20秒，價(jià)錢便宜，技術(shù)成熟。

最終方案

經(jīng)過(guò)上述的分析和論證，本設(shè)計(jì)決定系統(tǒng)各模塊采用的最終方案如下：

（1）主控單元：C8051F040單片機(jī)；

（2）穩(wěn)壓電源：24V蓄電池；

（3）傳感器單元：SFT245AL雙軸傾角傳感器；

（4）顯示模塊：LCD12864M；

（5）鍵盤模塊：4×4矩陣鍵盤；

（6）語(yǔ)音模塊：ISD1420芯片。

系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要單元電路設(shè)計(jì)

電源模塊和繼電器電路的設(shè)計(jì)

電源模塊使用L2576HV穩(wěn)壓電路，具體電路圖如圖4。

圖4 穩(wěn)壓電源電路圖

繼電器控制直流電機(jī)的正反接，實(shí)現(xiàn)滑輪的上下滑動(dòng)。每個(gè)繼電器都有一個(gè)工作指示燈。當(dāng)繼電器通電時(shí)燈亮，斷電時(shí)燈滅。燈亮?xí)r電機(jī)接口接電源正極，燈滅時(shí)接地。每次轉(zhuǎn)換時(shí)都要先接地。繼電器電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 繼電器電路圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N電路，具體電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

液晶顯示電路的設(shè)計(jì)

由于C8051F單片機(jī)不帶LCD驅(qū)動(dòng)，所以需要設(shè)計(jì)液晶顯示驅(qū)動(dòng)，12864M的CS，WR，DT，液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

圖7 液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路圖

矩陣按鍵的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總共需要16個(gè)按鍵，按鍵掃描電路如圖8所示。

圖8 按鍵掃描電路圖

語(yǔ)音模塊電路的設(shè)計(jì)

語(yǔ)音模塊采用ISD1420芯片，語(yǔ)音電路實(shí)現(xiàn)錄音和放音的功能，具體電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 語(yǔ)音電路圖

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能

該系統(tǒng)要完成對(duì)傾角傳感器所傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)控制運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行方向、計(jì)算運(yùn)行物體的坐標(biāo)位置、LCD數(shù)據(jù)顯示和鍵盤控制等功能。歸納為以下兩大功能：（1）對(duì)傾角傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，并輸出到LCD顯示。（2）對(duì)按鍵輸入信號(hào)采集和判斷，控制直流電機(jī)升降桿的位置。

系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由液晶顯示子程序，語(yǔ)音播報(bào)子程序，按鍵掃描子程序和傾角調(diào)整子程序組成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)主程序流程圖

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和功能調(diào)試

直流電機(jī)推桿速度測(cè)試

測(cè)試儀器：直尺（精度0.01m），量角器（精度0.1°），鉛垂，秒表（精度10ms）。

測(cè)試方法：首先測(cè)試推桿的最大升降速度，用直尺測(cè)量出推桿開(kāi)始的距離值A(chǔ)點(diǎn)，電機(jī)兩端加上24V電壓，開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄下結(jié)束距離值B點(diǎn)和結(jié)束時(shí)間，計(jì)算出升降速度。表1的數(shù)據(jù)是多次測(cè)試取得的推桿平均速度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 直流電機(jī)推桿速度測(cè)試結(jié)果記錄表

角度調(diào)節(jié)精度測(cè)試

測(cè)試儀器：秒表（精度10ms），量角器（精度0.1°）。

測(cè)試方法：通過(guò)按鍵輸入角度值，記錄下時(shí)間后，通過(guò)液晶顯示傾角傳感器的傾角數(shù)值，與量角器測(cè)試的數(shù)值比較之后，記錄下實(shí)際傾角數(shù)值后，比較得出該系統(tǒng)精度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，經(jīng)過(guò)測(cè)試得出該系統(tǒng)調(diào)角時(shí)間在5秒之內(nèi)，精度控制在2°的誤差。

表2 角度調(diào)節(jié)精度測(cè)試結(jié)果記錄表

結(jié)束語(yǔ)

C8051F040是高度集成的混合信號(hào)SoC級(jí)微控制器芯片。承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)集成了C8051F040處理器、傾角傳感器、ISD1420語(yǔ)音播報(bào)模塊、人機(jī)交互界面等硬件電路。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，速度穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，成本低，經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，具有較好的應(yīng)用前景。