小球滾動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)

康　金（1.河北省承德石油高等?？茖W(xué)校;　2.河北省工業(yè)數(shù)據(jù)通信與儀器儀表研發(fā)中心,河北　承德　067000）

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小球滾動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)

康金1,2
（1.河北省承德石油高等?？茖W(xué)校;2.河北省工業(yè)數(shù)據(jù)通信與儀器儀表研發(fā)中心,河北承德067000）

摘 要：本系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、輸入模塊、檢測(cè)模塊和顯示模塊五部分組成，利用步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的角度并利用陀螺儀檢測(cè)出角度大小以及利用光電對(duì)管傳感器檢測(cè)小球在導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)的位移，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小球位置的滾動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：控制；驅(qū)動(dòng)；輸入；模塊

1　系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、輸入模塊、檢測(cè)模塊和顯示模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

1.1控制模塊的選擇

采用STC12C5A60S2系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘、單機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)干擾的新一代8051單片機(jī)。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，而且速度快8～12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM,8路高速10位ACD轉(zhuǎn)換，對(duì)電機(jī)控制效果好，能在強(qiáng)干擾場(chǎng)合工作。

1.2驅(qū)動(dòng)模塊的選擇

步進(jìn)電機(jī)由電脈沖控制，控制量為轉(zhuǎn)角（即角位移），驅(qū)動(dòng)信號(hào)是方波脈沖。無需編碼器等反饋器件即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角（即位置）的控制（即開環(huán)控制），這是步進(jìn)電機(jī)最大的特點(diǎn)。所以轉(zhuǎn)動(dòng)平滑性不如直流電機(jī)。

1.3輸入模塊的論證與選擇

采用觸摸屏，觸摸屏可以根據(jù)菜單樣式來設(shè)置按鍵位置，按鍵設(shè)置靈活，便于操作，節(jié)約單片機(jī)I/O口。同時(shí)，觸摸屏具有輸出界面色彩可調(diào)，視覺效果良好等特點(diǎn)。

1.4檢測(cè)模塊的選擇

陀螺儀進(jìn)行角度檢測(cè)，將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)或角度變化量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，無觸點(diǎn)的測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度，輸出數(shù)字電壓信號(hào)。陀螺儀傳感器體積小、成本低 可靠性高。內(nèi)部無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，全固態(tài)裝置，抗大過載沖擊，工作壽命長(zhǎng)、大量程適于高轉(zhuǎn)速大g值的場(chǎng)合，易于數(shù)字化、智能化?？蓴?shù)字輸出，溫度補(bǔ)償，零位校正等。

利用光電對(duì)管檢測(cè)小球信號(hào)從而確定小球在導(dǎo)軌內(nèi)的位置。光電對(duì)管傳感器的靈敏度非常高，能夠很精確的檢測(cè)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(xiǎn)，平面直角顯示、影像穩(wěn)定不閃爍、可視面積大、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2　系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

如圖1所示，某一狀態(tài)下，小球的受力分析。

如圖1所示，小球受自身的重力和導(dǎo)軌對(duì)小球的支持力，兩個(gè)力的合力使小球沿負(fù)角度方向向下運(yùn)動(dòng)。同理，當(dāng)小球?qū)к壴陔姍C(jī)拉力作用下向上傾斜時(shí)，小球沿正角度方向向下運(yùn)動(dòng)。

2.1角度檢測(cè)及導(dǎo)軌控制方法

當(dāng)陀螺儀檢測(cè)到導(dǎo)軌負(fù)角度變化時(shí)，步進(jìn)電機(jī)快速給導(dǎo)軌施加一個(gè)向上的拉力，使導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)并檢測(cè)導(dǎo)軌角度，直到導(dǎo)軌恢復(fù)到平衡位置。同理， 當(dāng)陀螺儀檢測(cè)到導(dǎo)軌正角度變化時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使導(dǎo)軌向下運(yùn)動(dòng)并檢測(cè)導(dǎo)軌角度直到導(dǎo)軌恢復(fù)到平衡位置。調(diào)整過程可通過小球的運(yùn)動(dòng)觀測(cè)導(dǎo)軌位置。

2.2位置檢測(cè)

利用光電對(duì)管傳感器檢測(cè)小球信號(hào)對(duì)光電對(duì)管進(jìn)行編碼，測(cè)定小球位置，當(dāng)小球通過當(dāng)前光電對(duì)管時(shí)，光電對(duì)管會(huì)給單片機(jī)一個(gè)負(fù)脈沖，可以確定小球當(dāng)前的位置，同時(shí)確定小球此時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向。位置檢測(cè)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(dāng)前誤差；Kp表示比例系數(shù)；Ki表示積分常數(shù)；Kd表示微分常數(shù)；

2.3測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

用陀螺儀檢測(cè)導(dǎo)軌位置，并用量角器檢測(cè)導(dǎo)軌角度是否在要求范圍內(nèi)；位置測(cè)試：軌上安裝光電對(duì)管檢測(cè)小球位置，對(duì)其進(jìn)行編碼，再通過單片機(jī)采集光電對(duì)管信號(hào)檢測(cè)小球的位置。測(cè)試條件：硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。

3　總結(jié)

小球滾動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度主方面要是利用合適的傳感器靈敏的檢測(cè)到小球信號(hào)，關(guān)鍵在于傳感器的選取。其次，軟件方面的編程，要達(dá)到角度和位置的檢測(cè)和控制，還要避免或解決一些對(duì)小球平衡造成的干擾。本設(shè)計(jì)器件選擇獨(dú)特，硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

作者簡(jiǎn)介：康金（1978-），男，河北平泉人，研究方向:電子電路的開發(fā)和應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

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