基于AT89S52的簡易自由擺平衡控制系統

王關平 牛彩霞 高曉陽 孫 偉

(1.甘肅農業大學工學院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省廣播電影電視局無線傳輸中心，甘肅 蘭州 730030)

1 引言

現代檢測與控制技術是一門集測量、控制及計算機等于一體的綜合技術，廣泛應用于工業、農業、交通運輸、科研等各個方面。隨著現代科技的進步，傳統的自動控制系統以及相關的檢測和儀表技術發生了很大變化，生產過程的控制也已逐步由常規控制發展為計算機控制，控制方向也由簡單的PID控制向先進控制、優化控制方向發展，控制規模也從局部自動化向綜合自動化方向迅速發展[1]。

自由擺平衡控制系統由自由擺裝置、步進電機、平板以及控制裝置等模塊組成，該系統既是一種單自由度的典型機構，又是一種集傳感器、數字控制、單片機應用及伺服驅動為一體的綜合性裝置[2]。東南大學朱秀梅等可使擺桿推起至30°處釋放后，擺桿至少可以作5個周期以上的自由阻尼擺動，帶負載運行時，擺動角度范圍為-60°～+60°，運動過程中，平板保持在水平位置的誤差≥ ±3°，角度檢測的分辨能力為1°[3]。張明等[4]和羅名吉等[5]實現的自由擺裝置擺動角度較大，為-80°～+80°，但平板保持在水平位置的誤差也＞3°。

控制系統的簡單化、低成本化，角度控制誤差小及自由擺角的大幅度化是自由擺平衡控制系統研究發展的顯著趨勢[6-8]。為此，本研究基于AT89S52單片機，采用高精度環形電位器作為擺桿傾角傳感器，將自由擺擺桿的角位移實時轉化為相應的數據，并結合其他條件確定步進電機的轉動方向、速度等，從而通過步進電機驅動電路給四相步進電機提供驅動信號，并通過間歇性平板傾角檢測電路，對平板位置進行周期性修正，使自由擺擺動過程中末端平板持續保持在水平狀態。

2 系統設計及分析

2.1 系統方案

本研究確定的自由擺平衡控制系統總體功能框圖如圖1所示，是由控制器、擺桿傾角檢測、平臺傾角檢測、步進電機驅動控制電路及顯示等幾大部分構成的一個閉環系統。該系統可通過擺桿傾角檢測電位器(即高精度環形電位器)獲得自由擺偏離平衡位置的角度，通過平板傾角檢測電路獲得平板偏離水平位置的角度;而后，控制器(即單片機AT89S52)根據這兩個數據計算出電機應該發生的轉動角度并發出控制信號，控制信號經驅動電路使步進電機轉動，從而帶動平板運動，盡量維持平板在擺桿擺動過程中的水平狀態;執行元件選擇步進電機(42BYGHID439)，使用步進電機的原因包括:控制簡單，由于可接受數字脈沖輸入而變得易于與其他設備接口等;相應的角度、擺桿擺動方向等信息則實時顯示在LCD128×64的液晶顯示器上。

2.2 擺桿與平板運動關系分析

由圖2所示的擺桿與平板運動關系幾何圖可以證明:擺桿偏離豎直位置的角度θ與平板應該發生的偏離角度相等。因此，必須設置一個擺桿偏離平衡位置的傾角檢測傳感器，來得到步進電機應該偏轉的角度值。

圖1 系統總體功能框圖

2.3 擺桿傾角的獲取分析(見圖3所示)

圖2 擺桿與平板運動關系

圖3 擺桿擺角檢測電位器電路

擺桿傾角的獲取可以高精度環形電位器代替專用的角度傳感器(誤差≤0.5%，價格低廉)。由于安裝時不一定能使電位器的滑動觸點正對電位器的中點處，因此，讓控制器記住參考點電U0的數值非常必要。我們定義擺桿處于平衡位置右側時擺角為正，擺桿處于平衡位置左側時擺角為負，擺桿處于平衡位置時擺角為0°。

其中，

θ—擺桿偏離平衡位置的角度，該值＜0°為左偏，＞0°為右偏，單位為度(°);

U—擺桿處于某一位置時擺角檢測電位器滑動觸點上的電壓值，單位為伏;

U0—參考點電壓，即θ=0°時的U之值，單位為伏;

U2—擺桿右擺至70°時的U之值，單位為伏;

U1—擺桿左擺至-70°時的U之值，單位為伏;

2.4 平板傾角的獲取分析(見圖4所示)

圖4 半環形光柵檢測器

平板傾角的獲取采用半環形光柵檢測器獲得。原因如下:①半圓形光柵檢測器與此處擺桿的擺動幅度與軌跡正好吻合;②光柵檢測器的輸出精度較高(應用至此處換算后可達0.01°);③光柵檢測器的指針與光柵間的摩擦很小，對系統的影響可以忽略不計。不過，與擺桿傾角的獲取相似，系統也必須記住平板處于水平位置時的光柵檢測器角度輸出值Φ0。要申明的一點是:本研究中此處的半環形光柵檢測器主要用于擺桿擺動一周后對平板經過平衡位置時進行水平度矯正，并非形成位置反饋。

3 測試及結論

我們共進行了定點和動態兩類測試，其中，以1枚和3枚硬幣進行了系統的動態適應性測試，試驗結果表明，本研究設計的基于AT89S52的簡易自由擺平衡控制系統角度測量準確、控制穩定性較好，適應性較強，平板的水平控制誤差可以限定在1.8°以內。但在自由擺擺角大于60度時，平臺控制穩定性有有所降低，平臺出現顫振，這是今后應該努力突破的方向。

[1]張志君，于海晨，宋彤.現代檢測與控制技術[M].北京:化學工業出版社，2007.1-3

[2]http://www.eepw.com.cn/event/action/nuedc2011/[2013/4/20]

[3]朱秀梅.基于Cortex-M3 ARM的自由擺平衡控制系統的研究[D].福州:東南大學，2010.

[4]張明，洪志和，于飛.2011年瑞薩杯2011全國大學生電子設計競賽論文[R].2011.

[5]羅名吉，桑和西，吳建.2011年瑞薩杯2011全國大學生電子設計競賽論文[R].2011.

[6]張茹，孫松林.嵌入式系統技術基礎[M].北京:北京郵電大學出版社，2006.1-7

[7]吳秀芹，高國偉，李倩蕓，等.傾角傳感器自動標定系統的研究[J].傳感器與微系統，2009，28(4):54-55

[8]李真，張玉兵，韓晶晶，等.基于自由擺的平板控制系統[J].傳感器世界，2012，(1):13-16