自由擺平板控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

摘要：文章給出了一個基于自由擺的平板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，系統(tǒng)以STC12C5A16S2型單片機(jī)為控制核心，經(jīng)角度傳感器MMA7455、直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)、混合式步進(jìn)電機(jī)42BYGH4417及必要的外圍驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)平板隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)，平板上的8枚硬幣隨擺桿擺動不滑落，平板上的激光筆在15s內(nèi)照射到指定的中心線位置。
關(guān)鍵詞：自由擺；單片機(jī)；角度傳感器；DDS；步進(jìn)電機(jī)

0 引言
現(xiàn)代檢測技術(shù)和自動控制理論的飛速發(fā)展，能夠使得人們設(shè)計(jì)高精度的控制系統(tǒng)，基于自由擺的平板控制系統(tǒng)就是這些技術(shù)和理論的應(yīng)用實(shí)例之一。
本文所討論的自由擺平板控制系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：(1)控制電機(jī)使平板隨著擺桿的擺動(3～5周)而旋轉(zhuǎn)，擺桿擺一個周期，平板旋轉(zhuǎn)一周(360°)，偏差絕對值小于45°。(2)在平板上粘貼一張打印紙，在平板中心穩(wěn)定疊放8枚1元硬幣，用手推動擺桿至一個角度θ(θ在45°～60°間)，調(diào)整平板角度，啟動后放開擺桿讓其自由擺動。在擺桿擺動過程中，硬幣在擺桿的5個擺動周期中不從平板上滑落，并保持疊放狀態(tài)。(3)在平板上固定一激光筆，光斑照射在距擺桿150cm距離處垂直放置的靶子上。擺桿垂直靜止且平板處于水平時，調(diào)節(jié)靶子高度，使光斑照射在靶紙的某一條線上，標(biāo)識此線為中心線。用手推動擺桿至一個角度θ(θ在30°～60°間)，啟動后，系統(tǒng)應(yīng)在15s內(nèi)控制平板盡量使激光筆照射在中心線上(偏差絕對值1cm)，完成時以LED指示。

1 系統(tǒng)方案選擇與論證
1．1 電機(jī)模塊的選擇與論證
電機(jī)是整個系統(tǒng)用于控制的不可缺少部分。電機(jī)的選擇不但要有快速的反應(yīng)還要有準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動角度以配合整個系統(tǒng)的運(yùn)行。
方案一：采用普通直流電機(jī)。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。
方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)就是能快速啟動和停止，而且在程序上控制相對容易，如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能使步進(jìn)電機(jī)啟動和反轉(zhuǎn)。另一個顯著特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。
方案三：采用金屬齒輪微型舵機(jī)，舵機(jī)具有體積小、輸出力矩大、控制簡單等優(yōu)勢，但不能簡單完成轉(zhuǎn)動360°的要求。
綜合以上，選擇方案二。
1．2 控制器系統(tǒng)的選擇與論證
控制器系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，控制著數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，控制器的性能好壞決定了整個系統(tǒng)的準(zhǔn)確性?？刂破饕筮\(yùn)算速度較快，數(shù)據(jù)傳輸接口豐富易用。
方案一：采用STC12C5A16S2作為控制核心。51單片機(jī)價格低廉、使用簡單、軟件編程自由度大，可用編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制，但其運(yùn)算速度較低，增大了硬件電路設(shè)計(jì)與控制過程的復(fù)雜度。
方案二：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大、密度高。但由于本設(shè)計(jì)對數(shù)據(jù)處理速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時其芯片引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。
綜合以上，選擇方案一。
1．3 傳感器的選擇與論證
傳感器能進(jìn)行平板的角度檢測，是一種被測量參數(shù)能按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器是與被測對象直接有關(guān)聯(lián)的部分，其性能的優(yōu)劣直接影響著檢測系統(tǒng)的精度，所以傳感器的正確選擇十分關(guān)鍵。
方案一：采用無觸點(diǎn)磁敏電位器，利用磁敏元件非接觸地感應(yīng)磁場強(qiáng)度的變化，實(shí)現(xiàn)對角度的測量。但缺點(diǎn)是其頻響特性差、截止頻率低、精度低，不適用于機(jī)械安裝，電機(jī)的振動也影響其準(zhǔn)確性。
方案二：采用加速度計(jì)，通過加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)，輸出值g，與平衡位置比較，可換算成水平傾角，讀取數(shù)據(jù)簡便，傳感器體積較小，也易于安裝在系統(tǒng)上進(jìn)行測量。
綜合以上，選擇方案二。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，此系統(tǒng)是一個自動平衡測試系統(tǒng)，它由自由擺系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制驅(qū)動系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。