小球滾動控制系統的研發

康　金（1.河北省承德石油高等專科學校;　2.河北省工業數據通信與儀器儀表研發中心,河北　承德　067000）

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小球滾動控制系統的研發

康金1,2
（1.河北省承德石油高等專科學校;2.河北省工業數據通信與儀器儀表研發中心,河北承德067000）

摘 要：本系統主要由控制模塊、驅動模塊、輸入模塊、檢測模塊和顯示模塊五部分組成，利用步進電機調節導軌的角度并利用陀螺儀檢測出角度大小以及利用光電對管傳感器檢測小球在導軌內側的位移，實現了對小球位置的滾動控制。

關鍵詞：控制；驅動；輸入；模塊

1　系統介紹

本系統主要由控制模塊、驅動模塊、輸入模塊、檢測模塊和顯示模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1.1控制模塊的選擇

采用STC12C5A60S2系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘、單機器周期的單片機，是高速、低功耗、超強干擾的新一代8051單片機。指令代碼完全兼容傳統的8051，而且速度快8～12倍，內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM,8路高速10位ACD轉換，對電機控制效果好，能在強干擾場合工作。

1.2驅動模塊的選擇

步進電機由電脈沖控制，控制量為轉角（即角位移），驅動信號是方波脈沖。無需編碼器等反饋器件即可實現轉速與轉角（即位置）的控制（即開環控制），這是步進電機最大的特點。所以轉動平滑性不如直流電機。

1.3輸入模塊的論證與選擇

采用觸摸屏，觸摸屏可以根據菜單樣式來設置按鍵位置，按鍵設置靈活，便于操作，節約單片機I/O口。同時，觸摸屏具有輸出界面色彩可調，視覺效果良好等特點。

1.4檢測模塊的選擇

陀螺儀進行角度檢測，將機械轉動或角度變化量轉化為電信號，無觸點的測量轉動角度，輸出數字電壓信號。陀螺儀傳感器體積小、成本低 可靠性高。內部無轉動部件，全固態裝置，抗大過載沖擊，工作壽命長、大量程適于高轉速大g值的場合，易于數字化、智能化。可數字輸出，溫度補償，零位校正等。

利用光電對管檢測小球信號從而確定小球在導軌內的位置。光電對管傳感器的靈敏度非常高，能夠很精確的檢測小球的位置。

使用液晶顯示屏(LCD)顯示。液晶顯示屏具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示、影像穩定不閃爍、可視面積大、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強等特點。

2　系統理論分析與計算

如圖1所示，某一狀態下，小球的受力分析。

如圖1所示，小球受自身的重力和導軌對小球的支持力，兩個力的合力使小球沿負角度方向向下運動。同理，當小球導軌在電機拉力作用下向上傾斜時，小球沿正角度方向向下運動。

2.1角度檢測及導軌控制方法

當陀螺儀檢測到導軌負角度變化時，步進電機快速給導軌施加一個向上的拉力，使導軌向上運動并檢測導軌角度，直到導軌恢復到平衡位置。同理， 當陀螺儀檢測到導軌正角度變化時，步進電機反轉，使導軌向下運動并檢測導軌角度直到導軌恢復到平衡位置。調整過程可通過小球的運動觀測導軌位置。

2.2位置檢測

利用光電對管傳感器檢測小球信號對光電對管進行編碼，測定小球位置，當小球通過當前光電對管時，光電對管會給單片機一個負脈沖，可以確定小球當前的位置，同時確定小球此時的運動方向。位置檢測遵循PID 算法，公式如下：

增量PID：Δu(k)=Kp(ek-ek-1)+Kiek+Kd(ek-ek-1+ek-2)

ek表示當前誤差；Kp表示比例系數；Ki表示積分常數；Kd表示微分常數；

2.3測試方案與測試結果

用陀螺儀檢測導軌位置，并用量角器檢測導軌角度是否在要求范圍內；位置測試：軌上安裝光電對管檢測小球位置，對其進行編碼，再通過單片機采集光電對管信號檢測小球的位置。測試條件：硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數字毫伏表，模擬示波器，數字示波器，數字萬用表，指針式萬用表。

3　總結

小球滾動控制系統的設計難度主方面要是利用合適的傳感器靈敏的檢測到小球信號，關鍵在于傳感器的選取。其次，軟件方面的編程，要達到角度和位置的檢測和控制，還要避免或解決一些對小球平衡造成的干擾。本設計器件選擇獨特，硬件結構與軟件設計相對比較復雜，基本達到設計要求。

作者簡介：康金（1978-），男，河北平泉人，研究方向:電子電路的開發和應用、嵌入式系統應用。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.186