摘 要： 采用重力加速度傳感器及線性電阻角度傳感器來檢測擺動時平板及擺桿角度的變化，利用撥碼開關可控制預設功能，單片機根據擺桿與重垂線之間的擺角計算出平板的旋轉方向及角度，從而控制步進電機實現對平板運動狀態的精確控制，很好地實現了硬幣在擺桿擺動過程中保持穩定疊放狀態及激光筆對靶紙預設位置的動態跟蹤照射等設計功能。
關鍵詞： 重力加速度傳感器；角度傳感器；單片機；控制
1 系統方案
1.1 系統設計總方案
為了實現運動擺的控制功能，采用了如圖1所示的設計方案。通過對平板上的重力加速度傳感器及擺桿上線性角度傳感器的檢測，利用高速單片機運算，計算出擺的擺角及平板的當前狀態，根據控制的要求對步進電機進行精密調整控制，從而實現對運動狀態中的平板上的硬幣的平衡控制及激光筆對靶紙的瞄準控制。
1.2 系統組成模塊方案
1.2.1 電機驅動模塊方案
分析可知，系統設計的關鍵在于實現步進電機的精確控制，故選擇正確的步進電機驅動電路是成功實現功能的關鍵。一般步進電機驅動電路方案如下：
方案1：采用分立元件組成平衡式H橋驅動電路，可由單片機直接對其進行操作，但由于分立元件占用空間較大，考慮到擺桿的承重問題和模塊固定問題，安裝焊接復雜、調試費時，故此方案不夠理想。
方案2：利用集成電路芯片組成H橋驅動電路，避免了分立元件帶來的過重、體積過大問題，調試方便。一般采用此方案較多。具體實現方案有以下幾種：
(1)采用單片L298N芯片組成驅動電路[1]，由單片機產生四相驅動信號輸送至L298N驅動電機轉動。此方案占用體積較小、自重較小，但占用單片機I/O口較多，加重了單片機的運算負擔，不利于功能拓展。
(2)采用L298N+L297組成步進電機驅動電路。利用L297芯片產生的四相驅動信號，用半步（8拍）和全步(4拍)等方式驅動單片機控制兩相雙極或四相單極步進電機[2]。該芯片內部的PWM斬波器允許在關模式下控制步進電機繞組電流。只需要時鐘、方向和模式信號就能控制步進電機，可減輕處理器和程序設計的負擔。但占用體積較L298單芯片大。經實際測試，步進電機在調整平板角度過程中引起的震動較大，硬幣容易震落，無法達到既定要求。
(3)采用TB6560AHQ單芯片組成步進電機驅動電路。與方案(2)L297+L298N相比，解決了步進電機精細控制的問題，具有整步、1/2細分、1/8細分、1/16細分運行方式可供選擇。且內置溫度保護及過流保護，外圍電路更為簡單，集成度較高，能基本滿足控制要求，故本次設計采用此方案。
1.2.2 角度傳感器方案
采用角位移傳感器獲取代表擺桿與豎直線之間的夾角α量的電壓值，送單片機運算得出水平線與平板之間的夾角θ。此方案對單片機運算速度要求較高，但電路簡單、數據穩定。
2 理論分析與計算
2.1 平板狀態測量方法
設擺桿長度=l；電機軸半徑+底板厚度+激光筆軸半徑=h；擺桿與垂線夾角為α；激光與水平線夾角為θ。經運動分析可得圖2所示幾何關系。
3.2 步進電機驅動電路
TB6560AHQ單芯片步進電機驅動電路如圖6所示。因電機采用24 V電壓，故本模塊采用光電耦合器隔離驅動芯片與單片機控制信號[4]，起電氣隔離作用，防止高壓對單片機控制系統的影響。
3.3 角度傳感模塊電路
3.3.1 擺桿與豎直線之間的夾角?琢的檢測
采用WDY-32E-1精密角度傳感器與擺桿相連，利用擺桿帶動角度傳感器轉動，引起角度傳感器內可變電阻的變化，使得輸出端的電壓發生變化，經單片機ADC端口讀入并計算得出角度變化量。圖7所示為角度傳感器機械結構圖。
3.3.2 激光與水平線夾角α的檢測
采用LSM303DLH三軸電子羅盤模塊，利用地磁場角度進行夾角測算，采用I2C通信協議，與模塊單片機進行通信，處理后輸出數字量，實現檢測功能。
4 系統主要程序設計
本系統主要由平板轉動程序、平板調節防落程序、平板調節激光指向程序等三大程序模塊組成，流程框圖如圖8所示。
本設計主要采用重力加速度傳感器及線性電阻角度傳感器來檢測擺動時平板及擺桿角度的變化，利用撥碼開關可控制預設功能，單片機根據擺桿與重垂線之間的擺角計算出平板的旋轉方向及角度，從而控制步進電機實現對平板運動狀態的精確控制。經過多次調試，該系統能很好地實現既定目的，即硬幣在擺桿擺動過程中能在平板上保持穩定疊放狀態以及平板上的激光筆能對靶紙上的預設位置進行跟蹤照射。
參考文獻
[1] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽制作實訓[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007.
[2] 郭天祥.51單片機C語言教程—入門、提高、開發、拓展全攻略[M]．北京：電子工業出版社，2009．
[3] 樓然苗.51系列單片機設計實例[M]．北京：航空航天大學出版社，2002．
[4] 康華光.電子技術基礎·模擬部分[M]．北京：高等教育出版社，2006．