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基于自由摆的平板控制系统

时间:2011-11-14


摘要
本设计为基于自由摆的平板控制系统,采用 AT89S52 单片机作为中央控制器,通过 旋转编码器检测摆杆的偏转角度,进而控制步进电机。通过软件设计最终实现了平板根 据不同要求遵循一定的规律转动,例如使平板可以随着摆杆的摆动而旋转,实现了放置 在平板上的硬币在摆杆自由摆动过程中不脱落,以及激光笔定位等功能。

关键词:单片机、旋转编码器、步进电机

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Abstract
A panel control system based on free pendulum is designed, using AT89S52 MCU as the central controller, which detects the rotation angle of the pendulum through the rotary encoder, and then controls the stepping motor rotating the flat. Finally, the different rotating functions are realized using software design.

Key words:MCU,rotary encoder,stepping Motor

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一、系统方案设计、比较与论证 系统方案设计、
本题要求设计并制作一个自由摆的平板控制系统,其结构如图 1.1 所示。摆杆的一 端通过转轴固定在一个支架上,另一端固定安装一台电机,平板固定在电机转轴上;当 摆杆如图 1.2 摆动时,驱动电机可以控制平板转动。

图 1.1 系统侧面示意图

图 1.2 系统正面示意图

根据题目的要求,设计任务主要完成通过检测摆杆的旋转角度,进而控制电机按不 同的要求带动平板旋转。为完成题目要求的各项功能,系统可以划分为以下几个基本模 块:电源模块、控制器模块、角度检测模块、电机驱动模块、键盘输入模块。系统总体 结构框图如图 1.3 所示。
电源模块 单片机 AT89S52 角度检测模块 键盘输入模块 电机驱动模块

图 1.3 系统总体结构框图

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1.1 控制器模块
采用 ATMEL 公司的 AT89S52 作为控制器。该种单片机运算能力强,软件编程灵活, 支持在线擦写,自由度大。满足本系统控制要求。

1.2 角度检测模块
角度检测模块是系统的重要组成部分,需要利用角度传感器来检测摆杆的旋转角 度,进而控制电机使平板转动。按照设计要求,角度传感器需要精度高,频率快。目前 有以下两种方案可供选择。 方案一: 采用精密导电塑料传感器 WDD35D-4, 此角度传感器为一个 10kΩ的电位器, 当角度偏转时,可以得到不同的输出阻抗。但该方案成本低,电路简单,但传感器内部 电位器的热稳定性较差,这将直接影响到系统工作的精度和稳定性。 方案二:采用高精度的增量式旋转编码器,此种编码器将角度的变化转变成不同个 数的脉冲输出,精度很高,每转 0.1°就可输出一个脉冲。 方案三:采用高精度的绝对型旋转编码器,此种编码器直接将角度的值转变成不同 个数的脉冲输出。 就这三种方案比较而言,方案一不能满足要求;方案二和方案三均能准确地采集到 偏转角为后续工作做准备,且方案三直接读取到偏转角度,使得后续的控制方法得以简 化,然而,方案二价格上优于方案三,故最后选用高精度的增量式旋转编码器。

1.3 电机模块
电机模块选择是整个方案设计的关键,按照设计要求,驱动电机需根据检测到的旋 转角度精确地控制平板转动。因此普通直流电机不能满足要求。 方案一: 采用直流减速电机控制平板的转动, 直流减速电机力矩大, 转动速度较快, 但其旋转角度不容易精确控制,不能满足题目的要求。 方案二:采用步进电机控制,为满足题目要求选择最小步进角为 0.125 度,因此能 实现平板转动的精确控制。 经过反复的比较、论证,最终选用了方案二。所选型号的步进电机加驱动器后与单 片机接口简单,控制方便。

1.4 电源选择
方案一:采用可充电锂电池供电,两节锂电池串联达到 7.4V,然后经过开关芯片 LM2576 将电压降到 5V。
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方案二:采用 220V 交流市电,然后用变压器将其降至 15V,再整流,滤波,稳压之 后得到 5V 电源。 本设计系统的耗电量较大,而电池的容量有限,故采用方案二。

1.5 平板的选择
方案一:选用有机玻璃亚克力,该种有机玻璃硬度高,透明,韧性好,不易破损。 方案二:选用废弃的 PCB 板,这种板硬度较高,质轻,可直接在板上焊锡以实现平 行板和电机转轴的刚性连接。由于可在实验室自行焊接,减轻了外协任务和设备投资, 故选择此方案。

二、理论分析与计算
2.1 基本要求
题目中要求摆杆每摆动一个周期时,平板可以旋转一圈。根据单摆周期的计算公式
T = 2π l g

(2.1)

其中,l 为单摆的长度,g 为当地的重力加速度,根据题目要求计算得到 T 近似为 2s(摆杆长度为 100cm 的情况下) 。实际测试时,周期约为 1.8s。理论上摆角发生变化 时,摆动的周期应该保持不变,但是单摆为有阻尼摆动,每次摆动的周期不一定相同, 可以通过程序中加入纠正算法来修正。 在摆杆的摆动过程中,单片机通过采集编码器的输出信号统计杆的摆动周期,这样 根据摆动周期可实现每周期调整一次电机的转动速度,从而实现摆杆每摆动一个周期, 平板旋转一圈。 为了实现放置在平板上的硬币在杆摆动过程中不滑落, 拟采用控制电机转动使平板 始终保持水平的方法,结果调试中发现由于惯性,硬币在摆动拐点处很容易滑落。后经 反复调试发现,在杆的摆动过程中,按照一定规律不断调整板的偏转角度可使硬币不滑 落。

2.2 发挥部分
发挥部分的要求为: (1)在平板上固定一激光笔,光斑照射在距摆杆 150cm 处垂直放置的靶子上,示 意图如图 2.1 所示。摆杆垂直静止且平板处于水平时,调节靶子高度,使光斑照射在靶 纸的某一条线上,标识此线为中心线。用手推动摆杆至一个角度θ(θ在 30?~60?间) 。
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启动后,系统应在 15 秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上(偏差绝对值< 1cm) ,完成时以 LED 指示。 (2)在上述过程完成后,调整平板,使激光笔照射到中心线上(可人工协助) 。启 动后放开让摆杆自由摆动; 摆动过程中尽量使激光笔光斑始终瞄准照射在靶纸的中心线 上,根据光斑偏离中心线的距离计算成绩。

图 2.1 激光笔照射示意图 根据题目要求,测算出推动摆杆至不同角度θ时,为使激光笔照射在中心线上,需 控制平板转动的角度。参照图 2.1 做辅助线,根据几何知识运算得到:
1 ? cos θ 1.5 ? sin θ 1 ? cos θ 1.5 + sin θ

β = θ + arctan

(2.2)

其中,β为激光笔顺时针所转角度,适用条件为杆逆时针摆时。

β = θ ? arctan

(2.3)

其中,β为激光笔逆时针所转角度,适用条件为杆顺时针摆时。 发挥(1)部分通过单片机计算出β角,然后控制电机动作即可跟踪激光位置。发 挥(2)中若要使激光笔始终指向基准线就要实时按β角调整平板的方向,若采用单片 机计算的方法得到β角则耗时太久,致使偏转延时太大,不能精确定位,故采用查表法 来实现,表中θ的步进角为 0.1°,即每当杆转动 0.1°时查一次表得到电机要转的角 度,从而控制其动作。然而电机的步进角为 0.125°,这个角度虽然很小,但是每次控 制其动作时仍会存在一定的偏差。比如,θ步进 0.1°时,计算得到β的偏转角可能为 0.05°(小于电机步进角的一半), 0.08° (大于步进角的一半) 0.15° 或 (大于步进角) 。 表中当β大于电机步进角 0.125°一半时则指示电机转动 0.125°,这时平板就会过度 偏转或偏转角度不够, 一次误差的角度很小, 但是这种误差累计起来就会形成大的偏差。
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建表时充分考虑了这一因素对电机转动误差造成的影响,每次控制电机动作,都将上一 次动作的偏差角度考虑进来,从而避免了理论误差对系统控制准确度的影响。

三、系统分立模块设计及工作原理
3.1 主控模块电路设计
下图 3.1 所示为单片机的主控部分和键盘电路。

图 3.1 单片机的主控部分和键盘电路 本电路的单片机采用 DIP-40 封装的 AT89S52,其 P0 口为集电极开路输出,设计中 外加了上拉电阻。系统分为四种工作模式,采用四个按键,通过接集成与非门将按键中 断信号接入中断口。

3.2 角度检测电路
设计中选用的是旋转编码器 ZSP3806, 该编码器为 12V 直流供电, 集电极开路输出, 信号输出端需外接上拉电阻。编码器有 A、B、Z 三路信号输出,每转过 0.1°,A、B 两 路均会产生一个脉冲输出,并且转动方向不同,A、B 之间的相位关系也会不同。 编码器为 12V 供电,输出方波信号高电平为 85%的 Vcc,故加入了比较器 LM339 将 高电平的电压稳定到 5V。 该部分的电路图如下图 3.2 所示。

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图 3.2 角度检测电路 本设计中单片机通过编码器输出的脉冲数来确定杆的摆动角度, 但是在杆不停摆动 中,单片机可能会漏掉一些脉冲,这样摆动时间稍长后,就会出现较大的控制偏差。设 计中加入了光电开关来构成过零点检测电路,反馈摆杆的位置信号给单片机,这样每转 一周,就会对数据进行一次修正,从而大大提高了控制的稳定性。 此外,设计中对电机的控制方式受到摆杆摆动方向影响,需通过编码器 A、B 两信 号的相位关系来判断摆杆的运动方向。摆杆方向的判别可以通过软件实现,但是单片机 要不断统计脉冲个数来计算杆的偏转角,用软件判别摆动方向会加重软件负担,这就会 增加漏记脉冲的概率,从而影响到控制的精确度。本设计中采用硬件电路解决编码器转 动方向的判别问题,大大减轻的软件的负担。所用电路如图 3.3 所示。

图 3.3 摆动方向判别电路

图 3.4 信号分析图

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图 3.5 信号分析图

如图 3.4 所示为编码器输出的脉冲信号,这种情况为 A 的相位超前于 B,假设此时编码 器顺时针旋转,则当编码器逆时针旋转,A、B 之间的相位关系则如图 3.5 所示。设计的 D 触发器电路如图 3.3。在 CP 端输入为上升沿时,D 触发器的 Q 端输出的是 DATA 信号。 由此可知,就图 3.3 电路而言,在 B 路信号的上升沿,P1.1 口采集到的是 A 路信号的电 平, 结合上面的分析可得, 在编码器旋转方向不同时, P1.1 将采集到高或低的不同电平。 这样巧妙通过硬件电路解决了编码器转动方向的判别问题。

3.3 电机驱动电路
电机采用步进电机 MP28GA,该种电机的步进角度为 0.125°,可高精度控制角度偏 转。驱动芯片采用 ULN2003,驱动电路如下图 3.6 所示。

图 3.6 电机驱动电路

3.4 电源电路设计
设计的电路需+12V 和+5V 供电,电源模块采用自制的电路板。用双 15V 的变压器将 220V 市电稳至 15V 左右,然后经整流桥得到 23V 左右的直流电压,后经滤波、稳压得到 ±12V 电压,然后用开关芯片得到+5V 和一个可调电源。电源模块的电路如下图 3.7 所 示。

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图 3.7 电源电路

四、软件设计
系统上电后等待按键按下,之后通过读取键值判断工作模式。本系统有四种工作模 式:模式一,自由摆摆动一个周期,平板旋转一周;模式二,在摆杆摆动的过程中始终 保持平板的水平;模式三,摆杆摆动过程中,固定于平板的激光笔始终指向某一点;模 式四,自由摆摆动过程中在平板上放硬币,始终保持硬币不滑落。软件设计的流程图如 下图 4.1 所示。

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图 4.1 软件流程图

五、系统测试
5.1 测试仪器
UNI-T UT39 新型数字万用表。 GWINSTEK GDS-2202 数字示波器。 RIGOL DG1012 函数信号发生器。 SPF120 型数字合成函数/任意波信号发生器/计数器。 ATTEN TPR3003-3C 可调多路输出电源。

5.2 测试结果与分析
(1)系统上电后按键 1,观察 5 个摆动周期,每次摆杆摆动一周期,平板近似旋转 了一周,摆动停止后,通过与初始标记比较偏差绝对值小于 30°。 (2)系统上电后按键 2,用手推动摆杆至一个角度,系统自动保持平板水平,然后 在平板上放置一枚硬币,按键 4,之后系统调节控制平板的角度,在 5 个摆动周期中硬 币不会从平板上滑落。同样方式在平板上放八枚硬币,每次测试的结果都不同,受偶然

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因素影响很大,最理想的一次时八枚硬币都没有脱落,大多数情况下都是板上会保留四 枚硬币左右。 (3)在平板上固定一激光笔,摆杆垂直静止且平板处于水平时,光斑照射在距摆 杆 150cm 距离处垂直放置的靶子上。调节靶子高度,使光斑照射在靶纸的某一条线上, 标识此线为中心线。 系统上电后按键 3, 用手推动摆杆至一个角度θ (θ在 30?~60?间) , 系统自动按照 2.2 中的控制方法调节平板角度。 按照理论分析系统应该能准确定位在中 心线,然而测试发现,用手拨动摆杆以较小的角速度摆动,最大摆角 45°,激光笔在标 准线的上下偏差控制在 3cm 以内;在摆杆自由摆动时,激光笔亮点的最大偏差为 10cm。 经过多次测试后发现造成以上误差较大的原因是由于购买到的步进电机的最小步进角 没有达到标称值,若更换电机应该可以实现精确定位。

六、结束语
经过为期四天的设计,感触颇深的是解决问题的方法、技巧。在这四天中,我们遇 到许许多多问题,对待问题要多方法处理,多角度处理。通过这几天的设计竞赛,我们 不但增强了实践能力和协作精神,而且懂得了联系实际的重要性,这对我们以后的学习 和工作不无裨益。当然,我们的设计还存在着一些缺陷,有待于在将来设计中进一步提 高,在此恳请各位老师批评指正。

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参 考 文 献
[1] 李朝青. 单片机原理及接口技术(第三版) [M].北京:北京航空航天大学出版社,2005. [2] 周航慈. 单片机应用程序设计技术(第 3 版) [M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2011. [3] 童诗白,华成英. 模拟电子技术基础(第四版)[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.

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