小球滾動(dòng)控制系統(tǒng)

姜玉紅　丁國臣　高艷麗　周思羽

摘要：該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心對一端固定導(dǎo)軌上的小球?qū)崿F(xiàn)滾動(dòng)控制。通過比較研究給出系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，通過系統(tǒng)理論分析與計(jì)算給出硬件設(shè)計(jì)電路及設(shè)計(jì)程序。該控制系統(tǒng)通過單片機(jī)接收角度傳感器SCA60C和紅外測距傳感器發(fā)來的信號來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)一步控制與電機(jī)相聯(lián)的導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，從而使小球在導(dǎo)軌上按要求靈活滾動(dòng)或定位。

關(guān)鍵詞：STC89C52；SCA60C；步進(jìn)電機(jī)；紅外測距傳感器

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）29-0221-04

小球滾動(dòng)控制系統(tǒng)為我院參加電子制作比賽的作品。它采用單片機(jī)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制導(dǎo)軌的一端上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌中小球的往復(fù)運(yùn)動(dòng)或停留。本系統(tǒng)具有控制方便、實(shí)現(xiàn)簡單、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其原理框圖如圖1所示。

1系統(tǒng)方案

1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由主控制器、鍵控調(diào)節(jié)、角度檢測、位置檢測、電機(jī)控制和聲光報(bào)警等功能模塊組成。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

1.2主控制器的選擇

方案1：采用可編程邏輯器件CPLD，具有并行輸入輸出方式。它在系統(tǒng)處理的速度上較快，但是規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)處理速度的要求也不是非常高。

方案2：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。但是因其價(jià)格較高使系統(tǒng)成本增加，高速處理優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。

方案3：采用STC公司的STC89C52單片機(jī)作為主控制器。STC89C52是一種新型的51內(nèi)核的單片機(jī)，它內(nèi)部包含8KBFLASH ROM和512B RAM，正常工作模式下典型功耗4-7mA，空閑模式下小于2mA，具有32個(gè)雙向輸入/輸出I/O口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級中斷結(jié)構(gòu)。它在操作時(shí)簡便，對單片機(jī)的電源、時(shí)鐘、復(fù)位電路進(jìn)行特殊處理，避免人為干擾。

從使用的方便及經(jīng)濟(jì)性角度考慮，選擇方案3。

1.3角度傳感器的選擇

方案1：采用量角器測量導(dǎo)軌從±15°范圍內(nèi)的任一位置調(diào)整至水平狀態(tài)。它在測量的時(shí)候比較直觀、簡易，但在功能實(shí)現(xiàn)上誤差大、準(zhǔn)確度不夠。

方案2：MMA7455是一款數(shù)字輸出、低功耗、微機(jī)械加速器，具有信號調(diào)理、低通濾波器的功能，但要得到角度信號，需要三角函數(shù)的計(jì)算，得出結(jié)果存在誤差。

方案3：SCA60C單軸傾角傳感器，測量范圍（±90°），單機(jī)5V供電，比例電壓輸出，模擬0.5-4.5V輸出，左右傾斜角度報(bào)警范圍0-90°、90°-180°全范圍可調(diào)，調(diào)整精度為±1°。它在使用的時(shí)候耗能低、精度比較高，便于測量的準(zhǔn)確度。

鑒于角度精度的要求，選擇方案3。

1.4紅外傳感器的選擇

方案1：采用超聲波傳感器測距。它是利用超聲波的特性進(jìn)行工作，具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，但是它易受干擾、測距精度不高。

方案2：采用光電傳感器測距。它的抗干擾性好，測量能力好，特別適用于高精密、小元件的機(jī)械設(shè)備測量，但是不在密封環(huán)境下用容易被污染失效，不利于物體的測量。

方案3：采用紅外傳感器測距。它是可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍2-30cm，工作電壓為3.3V-5V，而該傳感器具有干擾小、便于裝配、使用方便。

為了使用方便、測距精度高，選擇方案3。

1.5電機(jī)的選擇

方案1：采用直流電機(jī)，利用直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制導(dǎo)軌的升降。它在控制上簡便、調(diào)速性能好，但是可靠性差、轉(zhuǎn)速快不利于導(dǎo)軌的控制。

方案2：采用舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)功能，其結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝、控制簡單，但是相應(yīng)周期必須大于20ms，不利于性能的調(diào)試。

方案3：采用步進(jìn)電機(jī)來控制導(dǎo)軌的升降。其特點(diǎn)如下：供電電壓24VDC-50VDC，電流1A-4A，它便于自動(dòng)化控制、定位精度高、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，低速運(yùn)行很平穩(wěn)。

為了定位的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性，選擇方案3。

2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，具有快速啟、停能力，可以通過輸入脈沖來控制它在一瞬間的啟動(dòng)或停止。它有4條勵(lì)磁信號引線A，A-，B，B-，通過控制這4條引線上勵(lì)磁脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻，即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。每出現(xiàn)一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)只走一步。因此，只要依序不斷送出脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

細(xì)分型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器HST884A，采用直流16-50V供電，適合驅(qū)動(dòng)電壓24V～50V，電流小于4.0A外徑42～86毫米的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。此驅(qū)動(dòng)器采用交流伺服驅(qū)動(dòng)器的電流環(huán)進(jìn)行細(xì)分控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很小，低速運(yùn)行很平穩(wěn)，幾乎沒有振動(dòng)和噪音。高速時(shí)力矩也大大高于其它二相驅(qū)動(dòng)器，定位精度高。

2.2紅外傳感原理

該傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個(gè)低電平信號），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距距離范圍2-30cm，工作電壓為3.3V-5V。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用紅外遙控的方式進(jìn)行流程的操作。

2.3角度測量原理

角度傳感器輸出0.5-4.5V線性變化的電壓，使用A/D進(jìn)行角度信號采樣，輸出角度變化的數(shù)字量。

導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)每度的電壓變化量為Vc=（3.48V-2.68V）/（105°-75°）0.0267伏/度（通過實(shí)測當(dāng)導(dǎo)軌角度為105。時(shí)，則電壓為3.48V；當(dāng)導(dǎo)軌角度為75。時(shí)，則電壓為2.68V）。A/D的分辨率為R=1/2^8=1/256。則導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)角度&與輸出實(shí)時(shí)電壓vx和最小分辨率R的關(guān)系為：

&=Vx×R/（Ve+2.68）

3硬件電路設(shè)計(jì)

3.1報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)題目要求，需在導(dǎo)軌兩端設(shè)置觸發(fā)機(jī)構(gòu)，當(dāng)小球在觸碰導(dǎo)軌左右端頭時(shí)會(huì)有明顯的聲或光指示，所以需用一個(gè)報(bào)警電路控制來實(shí)現(xiàn)該功能，其報(bào)警電路如圖3所示。

3.2電源電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的電源電路對電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常工作，電路如圖4所示。

3.3電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

為控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，需要步進(jìn)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器及單片機(jī)之間的連接。步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器需要24-50V的電壓驅(qū)動(dòng)。將89C52芯片的P1口與電機(jī)相連。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

3.4角度傳感器控制電路的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)15s內(nèi)使小球在導(dǎo)軌上做3次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，控制范圍為5-55cm。由于角度傳感器的調(diào)節(jié)范圍為0-180°，所以需將角度傳感器90°放置，對應(yīng)導(dǎo)軌在75°-105°范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整；用角度傳感器進(jìn)行檢測，產(chǎn)生角度檢測信號通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來控制導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其角度小于90°時(shí)電壓小于3V，則導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)角度大于90°時(shí)電壓大于3V，則導(dǎo)軌向下運(yùn)動(dòng)，并可以完成在區(qū)間5-55cm內(nèi)的3次往復(fù)運(yùn)動(dòng)。角度傳感器的電路如圖6所示。

3.5紅外測距傳感器控制電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)題目要求，小球在25-35cm區(qū)間某一位置靜止不滾動(dòng)。通過紅外測距傳感器來檢測小球在導(dǎo)軌中的位置，將信號輸入到單片機(jī)中（紅外遙控也可進(jìn)行操作，用于實(shí)操中演示），通過程序設(shè)定控制小球在導(dǎo)軌內(nèi)的平衡狀態(tài)，從而使小球能在導(dǎo)軌中靜止，達(dá)到距離檢測和定位的作用。紅外測距傳感器控制電路如圖7所示。

4程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

5測試方案與測試結(jié)果

5.1調(diào)試方法與儀器

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，制作了小球滾動(dòng)控制系統(tǒng)。制作完成后，對步進(jìn)電機(jī)、角度傳感和紅外傳感進(jìn)行了測試。

步進(jìn)電機(jī)的測試采用了PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，通過控制單片機(jī)的I/O口來輸出占空比不同的方波信號從而實(shí)現(xiàn)了對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

角度傳感測試采用了YL-90角度傳感器模塊，該模塊輸出為模擬電壓值，[0 180°對應(yīng)0.5-4.5V]。導(dǎo)軌以原點(diǎn)為中心運(yùn)動(dòng)，角度傳感模塊感應(yīng)位置變化，輸出信號到單片機(jī)從而控制電機(jī)。

紅外傳感測試采用了豐川電子有限公司的紅外模塊，檢測方向遇到小球時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器（LM393）電路處理之后，信號輸出低電平到單片機(jī)，獲取小球方位距離信息，從而控制電機(jī)。

5.2測試數(shù)據(jù)

5.3測試結(jié)果分析

測試結(jié)果表明，導(dǎo)軌兩端觸發(fā)機(jī)構(gòu)有明顯聲或光指示；小球在15s內(nèi)從±15°范圍內(nèi)停在規(guī)定的區(qū)間25cm-35cm內(nèi)；小球在規(guī)定的區(qū)間5cm-55cm內(nèi)完成3次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并停在規(guī)定的位置，時(shí)間符合題目要求。