基于自由擺的平板控制系統(tǒng)

王 寧 段卓琳 周 葉

（大連海事大學(xué)輪機學(xué)院，遼寧 大連 116026）

1 自由擺的平板系統(tǒng)基本組成原理

根據(jù)自由擺的平板控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，電機控制平板，當擺桿移動時要保持平板的平衡，因此需要采用傳感器獲得擺桿移動的角度值，再通過電機控制平板旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，從而保持平板的水平位置。其基本組成框圖原理如圖1所示。

圖1

采用日本村田公司的ENV05G 陀螺傳感器，安裝于平板，以獲得平板的位置和姿態(tài)信息。

當擺桿移動時，平板的水平位置會發(fā)生變化，此信號通過調(diào)理電路輸入到AD0809 轉(zhuǎn)換器，單片機獲得擺桿的變化信息，控制TA8435 芯片，使擺桿上的電機也作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，及時調(diào)整平板變化位置，從而使平板基本保持水平的位置。

2 硬件電路的設(shè)計

硬件電路設(shè)計包括：傳感器與信號采集電路，單片機控制電機電路。

2.1 傳感器與信號采集電路的設(shè)計

傳感器采用日本村田公司的ENV05G 陀螺傳感器，通過檢測，測量角度，實現(xiàn)運動物體的位置控制和姿態(tài)控制，它具備高可靠性，高精度，快響應(yīng)，低噪音特點。其輸出到傳感器外圍調(diào)理電路，是一個由LM324 運放組成的二階壓控源RC 低通濾波器，信號從同相端輸入，具有較高的輸入阻抗，放大器的增益為：Auf=1+Rf/R1=1+33kΩ/56kΩ=1.589。輸出信號首先經(jīng)R1/R3分壓，分壓比為：56/(33+56)= 0.629，調(diào)理電路放大倍數(shù)為：0.629×1.589=1，傳感器信號調(diào)理電路輸出即為角度傳感器能夠輸出的角度范圍值。設(shè)計中將角度傳感器放在擺桿上，從靜止開始來回旋轉(zhuǎn)，即可得到擺桿的實時角速度值，再通過軟件處理輸出角度值。

圖2

由于陀螺儀傳感器輸出為模擬信號，處理器單片機要想使用其提供的信息，必須進行A/D 轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，從而實時得到角速度值。將運算放大器Vout 輸入給0809 的ΙN0，將電壓模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對應(yīng)相等的數(shù)字信號，輸入給單片機進行數(shù)據(jù)處理。OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。AD0809 的數(shù)據(jù)輸出公式為

其中，Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數(shù)據(jù)。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。CLK 為時鐘輸入信號線。ADC0809 內(nèi)部無時鐘電路，本設(shè)計中用單片機給ADC0809 提供時鐘信號，減少硬件電路。將A/D 轉(zhuǎn)換輸出OUT 口與單片機P2 口相連，單片機接收的輸入數(shù)字角速度量。

圖3 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機電路

2.2 單片機控制步進電機電路的設(shè)計

電機選擇42BYGHW208 型步進電機，此電機是兩相四線制，體型較小，力矩可以滿足要求。步進電機整步工作情況下，距角為1.8°，所以一個脈沖使電機轉(zhuǎn)動1.8°。單片機電路，AD 換后的數(shù)字信號交由單片機處理。由θ傳=θ電機，通過控制步進電機輸入脈沖頻率控制其轉(zhuǎn)動的角度，即可以基本實現(xiàn)要求，使平板在擺桿一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)1 圈，5 個周期轉(zhuǎn)5 圈，也可以保持電機角度與擺桿角度相等，以此實現(xiàn)基本要求，使平板保持水平，實現(xiàn)硬幣不能掉下的任務(wù)。

圖4

3 自由擺得平板控制軟件設(shè)計

1）使平板隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)

預(yù)計擺桿擺動一個周期所需的時間t，以此作為平板旋轉(zhuǎn)一周的時間，則電機的角速度為 360/tdeg/s，因為電機步進角為1.8 度，故所需脈沖頻率360/(t×1.8)。以此計算出定時器的中斷次數(shù)N，即可控制平板隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)，擺桿擺一個周期，平板旋轉(zhuǎn)一周。

2）使平板保持水平

開始——傳感器電壓增加——單片機控制電機左轉(zhuǎn)，根據(jù)傳感器輸出電壓幅值大小確定定時器定時時間，從而確定頻率，從而控制步進電機的轉(zhuǎn)速。

3）用手推擺桿至50°，激光筆照射程序

推動擺桿至某一固定位置，由三角形角度關(guān)系及正余弦定理確定電機所需旋轉(zhuǎn)角度，從而確定電機所需脈沖數(shù)目。由單片機產(chǎn)生100Hz 的定時中斷，由程序設(shè)置中斷的數(shù)目，從而控制步進電機轉(zhuǎn)過的角度。

4 實際測試結(jié)果與分析

4.1 測試器材

測試器材包括：量角器、硬幣、激光筆、卷尺、靶紙（A4 打印紙）

4.2 測試方法

將擺桿拉至某一規(guī)定位置，觀察平板運動，觀察平板上的硬幣數(shù)目，觀察激光燈打在靶紙上的位置，逐漸調(diào)整程序，減小誤差。

1）基本要求測試

先通過簡單的目測大致判斷出自由擺與平臺的轉(zhuǎn)動一周的周期是否相等。對程序進行初步的調(diào)整然后使用秒表分別測出自由擺與平臺轉(zhuǎn)動一周的時間是否相等。再次對程序進行仔細的調(diào)整，使得自由擺轉(zhuǎn)動一周時平臺也恰巧轉(zhuǎn)動一周。

2）結(jié)果

初步調(diào)整時，對電機的控制不精確使得轉(zhuǎn)動誤差較大，經(jīng)過仔細調(diào)整平臺與自由擺基本上同步。

接通電源，搖晃自由擺，并觀察角度傳感器讀數(shù)是否正確，若正確則接上電機，用手推動擺桿至30°～45°，調(diào)整平板角度，在平板穩(wěn)定中心放置一枚1元硬幣，啟動后放開擺桿讓其自由擺動。在擺桿滑動過程中，要求控制平板狀態(tài)，使硬幣在5 個擺動周期中不從平板上滑落。觀察是否會滑離平板的中心位置。

步進電機反應(yīng)太慢導(dǎo)致硬幣滑落，經(jīng)仔細研究擺動原理并更改程序終于使一枚硬幣平穩(wěn)的放在平臺中央未見滑落。完成了要求二。

接通電源，先檢測角度傳感器是否正常，若正確則接上電機，用手推動擺桿至45°～60°，調(diào)整平板角度，在平板中心穩(wěn)定疊放8 枚1 元硬幣。啟動后放開擺桿讓其自由擺動。在擺桿擺動過程中，要求控制平板狀態(tài)使硬幣在擺桿的5 個擺動周期中不從平板滑落，觀察是否有硬幣掉落以及是否保持疊放狀態(tài)。

由于硬幣增多導(dǎo)致平板負重增加，并且硬幣間容易滑落導(dǎo)致失敗。經(jīng)過長時間反復(fù)思考并修改程序終于能夠基本實現(xiàn)要求三。

5 結(jié)論

使用51 單片機結(jié)合相應(yīng)的傳感器，數(shù)據(jù)采集和電機控制實現(xiàn)自由擺的平板控制，電路實現(xiàn)簡單可靠，傳感器數(shù)據(jù)采集與處理方法實用，是解決自由擺的平板控制一種方法，取得較好效果。

[1] 曹建樹.51 單片機實用教程[M].北京:中國石化出版社,2010.8.

[2] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2001.1.

[3] 孫肖子.實用電子電路手冊(模擬分冊)[M].北京:高等教育出版社,1992.