基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設(shè)計

常春霞 郭瑞巖

摘 要：實現(xiàn)基于自由擺的平板控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，以SPCE061A單片機為主控制器，以1‰精度單圈電位器為角度傳感器，配以16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705實現(xiàn)角度測量，采用步進電機做為執(zhí)行機構(gòu)，配以能16細(xì)分的TB6560為電機驅(qū)動芯片，實現(xiàn)0.1125？觷步進角，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。實驗表明，系統(tǒng)完全達到了設(shè)計要求，還增加了多種創(chuàng)新功能。

關(guān)鍵詞：SPCE061A；1‰精度電位器；AD7705；TB6560

中圖分類號：U671 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）23-0008-021 系統(tǒng)設(shè)計方案框架

1.1 方案框架

1.1.1 主控制器的選擇

采用SPCE061A單片機來實現(xiàn)，運算速度高，帶語音功能，易于在線仿真調(diào)試。

1.1.2 傳感器的選擇

采用1‰精度單圈電位器WDD35D，將擺桿擺動轉(zhuǎn)換為電位器轉(zhuǎn)動，只要測量輸出電壓的變化即可確定角度。電位器有高線性度和基本無需反應(yīng)時間即可跟蹤擺桿的特點。

1.1.3 AD轉(zhuǎn)換器的選擇

采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705。分辨率為1/65 536，最小可識別電壓為0.000038 V，最小可識別的角度為0.002？觷，精度可達系統(tǒng)要求。

1.1.4 電機的選擇

由于步進電機可以進行精確角度控制，并能記住位置，自己構(gòu)成閉環(huán)控制，可實現(xiàn)設(shè)計要求。

1.1.5 電機驅(qū)動的選擇

常用步進電機步進角1.8？觷，為實現(xiàn)精確控制，需選用16細(xì)分驅(qū)動器。TB6560驅(qū)動芯片，可實現(xiàn)雙向控制，且具有耐壓40 VDC，電流3.5 A（峰值），多種細(xì)分可選（1/1、1/2、1/8、1/16）和衰減方式分段可調(diào)等優(yōu)點。

1.1.6 其它電路選擇

系統(tǒng)采用常用OCMJ4×8 C液晶顯示，選擇1*4行列式鍵盤，采用凌陽單片機自帶語音功能。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

以SPCE061A凌陽單片機為主控制器，以1‰精度單圈電位器為角度傳感器，配以16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705實現(xiàn)角度測量，采用步進電機做為執(zhí)行機構(gòu)，配以能16細(xì)分的TB6560為電機驅(qū)動芯片，實現(xiàn)0.1125？觷步進角，從而構(gòu)成自由擺控制系統(tǒng)，并增加了液晶顯示和語音播報等功能。

1.3 結(jié)構(gòu)框圖

自由擺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 理論分析與計算

2.1 擺桿角度的測量方法

如圖2所示，經(jīng)實際測量，擺桿在0？觷，90？觷，180？觷位置時，電位器電壓值分別為U0、U1、U2。則擺桿與水平面的夾角為：a=180？觷×（U-U0）/（U3-U0）。其中U為AD轉(zhuǎn)換得到的電壓。

2.2 基本部分

2.2.1 基本部分1——平板跟隨自由擺轉(zhuǎn)動

如圖2所示，假設(shè)擺桿的初始角度為？茁，則當(dāng)平板由初始位置轉(zhuǎn)到豎直位置時對應(yīng)的步進電機轉(zhuǎn)動90？觷。在執(zhí)行程序時，時刻對電位器的輸出電壓做AD轉(zhuǎn)換，進而轉(zhuǎn)換成擺桿的角度，將兩次測量的角度結(jié)果相減，從而求出步進電機應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度。公式為Δ=90？觷×（a1-a2）/？茁，其中Δ為步進電機應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，a1、a2分別為兩次測量的擺桿與水平面的夾角。

2.2.2 基本部分2——平板帶硬幣自由擺動

經(jīng)測試，當(dāng)平板與擺桿垂直時，擺桿擺動時硬幣不會滑落。于是我們討論后決定以下方案：放下擺桿后，在很短的時間內(nèi)使擺桿與平板垂直，此后步進電機不再轉(zhuǎn)動。如圖2所示，步進電機8細(xì)分時步進角為0.225？觷，轉(zhuǎn)動步數(shù)公式為：step=？茁/0.225？觷。

3.1 硬件電路設(shè)計

3.1.1 角度測量電路

電位器WDD35D的阻值改變引起電壓的改變，通過AD7705進行AD采樣轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的電壓輸入單片機，單片機將電壓值轉(zhuǎn)換為角度值。

3.1.2 步進電機驅(qū)動電路

通過TH6560AHQ芯片驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，進而控制平板的狀態(tài)，使平板轉(zhuǎn)動或保持角度狀態(tài)。

3.2 軟件設(shè)計與工作流程圖

3.2.1 軟件設(shè)計

軟件實現(xiàn)的功能如下：平板隨擺桿旋轉(zhuǎn)3～5周子程序；平板帶硬幣自由擺動子程序；平板帶激光筆指向中心線子程序（擺桿靜止）；平板帶激光筆指向中心線子程序（擺桿自由擺動）等。

3.2.2 部分工作流程圖

系統(tǒng)部分流程圖如圖4、圖5所示。

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 測試儀器

4位半數(shù)值萬用表勝利VC9807+、量角器、秒表。

4.2 基本部分功能測試

基本部分功能包括：實現(xiàn)了擺桿擺動一個周期，平板旋轉(zhuǎn)一周的功能；在擺角為30？觷～45？觷時，實現(xiàn)了一枚硬幣在5個擺動周期內(nèi)不從平板滑落的功能；在擺角為45？觷～60？觷時，實現(xiàn)了八枚硬幣在5個擺動周期內(nèi)不從平板滑落的功能。

4.3 其他功能測試

其它功能測試結(jié)果如表1、表2所示。

4.4 創(chuàng)新部分功能測試

在本次設(shè)計中，出了完成題目要求外，還完成了一些創(chuàng)新功能：平板隨擺桿旋轉(zhuǎn)12周而角度偏差<45？觷；平板帶12枚硬幣80？觷時自由擺動12個周期內(nèi)不從平板滑落的功能；在平板轉(zhuǎn)動過程中，平板轉(zhuǎn)動位置到會有語音提示；用液晶實現(xiàn)實時顯示擺桿角度。

①平板隨擺桿旋轉(zhuǎn)12周而角度偏差<45？觷的測試如表3所示。

②平板帶12枚硬幣自由擺動實驗測試如表4所示。

③語音提示功能測試。在每次旋轉(zhuǎn)實驗中，平板轉(zhuǎn)到設(shè)定位置有語音提示。語音功能測試成功。

④液晶實時顯示擺桿角度。實驗中，當(dāng)擺桿自由擺動時，LCD實時顯示出擺桿的擺角。顯示功能測試成功。

5 結(jié) 語

通過測試，系統(tǒng)完全達到了設(shè)計要求，不但完成了基本要求發(fā)揮部分的功能，并增加了多個創(chuàng)新功能，如基本部分平板跟蹤自由擺轉(zhuǎn)動達12圈，平板上放置12枚硬幣80？觷角時實現(xiàn)自由擺動不掉落，語音提醒等功能。

參考文獻：

[1] 李曉白.凌陽16位單片機C語言開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

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