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單片機為控制核心，結合步進電機和精密電位器WDD35D-4，實現(xiàn)了基于自由擺的平板控制與激光追蹤系統(tǒng)。當擺桿擺角為45°～60°時，平板可以承載8枚一元硬幣，并在5個擺動周期內維持穩(wěn)定；當擺桿擺角為30°～60°時，固定在擺桿平板上的激光筆可以在15 s內找到并跟蹤1．5 m遠處的靶心。
關鍵詞：MSP430F5438；激光追蹤；精密電位器；自由擺

引言
    隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，基于嵌入式系統(tǒng)的自動控制在工業(yè)中得到了廣泛的應用。目前，工業(yè)生產的機械復雜度越來越高，單純在靜止條件下的自動控制已經不能滿足人們對測控系統(tǒng)的要求，因此，研究如何在動態(tài)條件下對系統(tǒng)實施精確測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)可以適應工業(yè)發(fā)展，應用在復雜度較高的自動化生產中，在生產過程中可以同時完成測量與控制，提高生產的自動化程度。

1 系統(tǒng)結構
1．1 系統(tǒng)整體結構
    系統(tǒng)整體結構如圖1所示，主要由控制模塊、采集模塊、步進電機驅動模塊、步進電機、自由擺平板和激光筆，以及調試模塊組成。其中，采集模塊采用WDD35D-4精密電位器，當自由擺擺桿擺動時，電位器的阻值會發(fā)生變化，從而反應擺桿的位置信息?？刂颇K采用低功耗單片機MSP430F5438作為處理器，MSP430F5438內置A／D模塊，可以采集精密電位器反饋的模擬信號。步進電機驅動選用東芝公司的TB6560芯片，該芯片是低功耗、高集成兩相混合式驅動芯片，驅動步進電機，用以控制自由擺平板和激光筆的位置。調試模塊用于控制模塊程序下載與系統(tǒng)調試，正常工作時不使用。

1．2 自由擺機械結構
    自由擺機械主要由固定支架、轉軸、擺桿、電機、平板、激光筆構成，如圖2(a)所示。自由擺轉軸上連接有精密電位器作為擺桿角度傳感器，電機固定在擺桿底部，平板固定在電機的轉軸上。自由擺擺動示意圖如圖2(b)所示，在平板上放置8枚一元硬幣，在擺桿擺動過程中，電機和平板也會隨擺桿轉動，通過單片機控制電機的轉動，使硬幣穩(wěn)定在平板上。同時，在平板下方與平板平行的方向固定有激光筆，通過系統(tǒng)控制，可以實現(xiàn)在擺桿擺動過程中激光筆跟蹤預設目標的功能。

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°)，放開擺桿讓其自由擺動。自由擺精確控制必須達到以下目標：在擺桿擺動過程中，要求控制平板狀態(tài)，使硬幣在5個擺動周期中不會從平板上滑落，并盡量減少滑離平板的中心位置。
    要達到以上目的，電機必須根據(jù)相關參數(shù)控制平板的角度，保證擺桿擺動過程中硬幣的受力平衡。分析自由擺擺動過程，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)無須主動控制硬幣即可受力平衡)的過程中，硬幣保持相對穩(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，當擺桿垂直靜止且平板處于水平時，調節(jié)靶子高度，使激光筆光斑照射在靶子的中心。用手推動擺桿，支架與擺桿角度為θ(θ為30°～60°)。放開擺桿，系統(tǒng)應控制平板在15 s內盡量使激光筆照射在中心線上(偏差絕對值<1 cm)，這就是激光追蹤理論的目標。圖3中，b為自由擺擺桿靜止時平板中心(激光筆固定點)到靶子中心的線段；a為θ的角平分線與線段b的交點到激光筆固定點的線段；c是激光筆固定點到靶子中心的線段；γ為線段a、c的夾角。

    圖3中，擺桿與支架的角度θ可以通過轉軸上的精密電位器測量，轉換成的模擬電壓值輸出給單片機，單片機通過內置的A／D轉換器將模擬電壓值轉化成數(shù)字量，計算出相應的角度θ。為了使系統(tǒng)實現(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，在擺桿擺動過程中我們通過控制γ來實現(xiàn)追蹤功能。結合幾何運算，對θ與γ之間的關系進行分析：
    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電機轉軸上，因而角度γ也是步進電機轉動的角度。通過以上分析，可以知道，實現(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這一關系。在整個系統(tǒng)運行過程中，單片機不斷接收精密電位器采集的θ值，然后進行
分析運算，計算出步進電機的轉動角度γ。由于MSP430F5438不含浮點數(shù)運算單元，處理數(shù)據(jù)能力較弱，且會占用CPU大量的工作時間，所以在程序的編寫過程中，采用查表法來優(yōu)化程序。以θ為已知量，γ為未知數(shù)運用MATLAB求解，得到θ與γ的關系，如表1所列。在程序運行過程中，當單片機每讀到一個θ值，通過查表即可知道與之對應的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組合構成。LM2596開關電壓調節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節(jié)特性；采用150 kHz的內部振蕩頻率，屬于第二代開關電源調節(jié)器，功率小、效率高；LM1117-3．3是低壓差線性電壓調節(jié)器，可以固定輸出3．3 V電壓，輸出電流可達800 mA。MSP430F5438單片機最小系統(tǒng)需要3．3V供電，因此采用LM1117-3．3給單片機供電。
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，精密電位器由一個電阻體和一個轉動(或滑動)系統(tǒng)組成。當電阻體的兩個固定觸點之間外加一個電壓時，通過轉動(或滑動)系統(tǒng)改變觸點在電阻體上的位置，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸點位置成一定關系的電壓。利用MSP430F5438單片機內置A／D轉換器讀取精密電位器兩端電壓值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。
3．3 控制模塊
    選擇MSP430F5438單片機進行系統(tǒng)控制。在系統(tǒng)運行過程中，單片機通過內置A／D轉換器讀取數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結果控制步進電機驅動芯片TB6560，最終控制步進電機按要求轉動。MSP430系列單片機是16位單片機，采用了精簡指令集(RISC)結構，具有豐富的尋址方式、大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器，可參加多種運算，同時具有高效的查表處理指令。MSP430F15438是基于閃存的產品系列，具有集成外設USB、模擬比較器、DMA、硬件乘法器、RTC、USCI、12位DAC等。
3．4 步進電機驅動模塊
    步進電機驅動模塊采用東芝公司的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅動芯片TB6560。其主要特點有：內部集成雙橋MOSFET驅動，最高耐壓40 V，單相輸出最大電流為3．5 A。步進電機驅動電路原理圖如圖4所示，引腳VMA、VMB是步進電機驅動電源引腳。OUT_AP、OUT AM、OUT BP、OUT_BM引腳分別與步進電機的兩相接口相連，當芯片輸入端接收到單片機輸入信號時，這4個引腳會執(zhí)行單片機的命令使步進電機進行相應轉動。NFA、NFB分別為電機A、B相電路檢測端，所接電阻為0．2 Ω。PGNDA、PGNDB、SGND則是地線引腳。通過單片機MSP430F5438的I／O口與TB6560芯片的CLK、ENABLE、CW／CWW引腳相連，從而實現(xiàn)單片機對步進電機的控制。

4 系統(tǒng)軟件設計
    由于系統(tǒng)功能有兩個，需要在不同的模式下運行，故程序設計采用狀態(tài)機的設計思想，根據(jù)編碼開關的不同狀態(tài)，進入不同的模式控制，具體設計流程如圖5所示。程序開始后，掃描編碼開關的狀態(tài)，當系統(tǒng)掃描到編碼開關的狀態(tài)為狀態(tài)1時，系統(tǒng)執(zhí)行平板控制命令；當系統(tǒng)掃描到編碼開關的狀態(tài)為狀態(tài)2時，系統(tǒng)執(zhí)行激光追蹤命令。

5 系統(tǒng)測試
5．1 平板控制測試
    根據(jù)設計要求對系統(tǒng)平板控制功能的穩(wěn)定性進行測試，測試方法為直接計數(shù)法。將單擺拉至60°，在平板上放置8枚硬幣，松開單擺，記錄單擺擺動5個周期后平板上剩余硬幣的數(shù)目。統(tǒng)計結果用直方圖表示，如圖6所示。其中，橫坐標表示平均每次剩余硬幣數(shù)目，縱坐標表示測試次數(shù)。測試表明，隨著測試次數(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 激光追蹤測試
    根據(jù)設計要求對系統(tǒng)激光追蹤功能進行測試，測試方案選用多次測量取平均值的方法。按圖3所示，在靶紙上確定靶心的位置，打開激光筆；啟動系統(tǒng)，在自由擺擺動過程中，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量，統(tǒng)計后得出激光追蹤系統(tǒng)的誤差范圍和穩(wěn)定程度。具體結果如圖7所示，其中橫坐標表示誤差大小，縱坐標表示測試次數(shù)。經計算誤差平均值為0．13 cm。測試表明，隨著測試次數(shù)的增加，誤差平均值逐漸減小，激光追蹤性能較為穩(wěn)定。

結語
    本設計基于自由擺，以MSP430F5438單片機為控制核心，設計并實現(xiàn)了精確控制與激光追蹤系統(tǒng)，通過MATLAB建模實現(xiàn)了硬件與軟件的結合。經過測試，在誤差允許的范圍內驗證了系統(tǒng)可以實現(xiàn)基于單擺的平板精確控制與激光追蹤功能。