摘 要： 采用重力加速度傳感器及線性電阻角度傳感器來(lái)檢測(cè)擺動(dòng)時(shí)平板及擺桿角度的變化，利用撥碼開(kāi)關(guān)可控制預(yù)設(shè)功能，單片機(jī)根據(jù)擺桿與重垂線之間的擺角計(jì)算出平板的旋轉(zhuǎn)方向及角度，從而控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)平板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的精確控制，很好地實(shí)現(xiàn)了硬幣在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中保持穩(wěn)定疊放狀態(tài)及激光筆對(duì)靶紙預(yù)設(shè)位置的動(dòng)態(tài)跟蹤照射等設(shè)計(jì)功能。
關(guān)鍵詞： 重力加速度傳感器；角度傳感器；單片機(jī)；控制
1 系統(tǒng)方案
1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案
為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)擺的控制功能，采用了如圖1所示的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)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(cè)，利用高速單片機(jī)運(yùn)算，計(jì)算出擺的擺角及平板的當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)控制的要求對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精密調(diào)整控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的平板上的硬幣的平衡控制及激光筆對(duì)靶紙的瞄準(zhǔn)控制。
1.2 系統(tǒng)組成模塊方案
1.2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案
分析可知，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制，故選擇正確的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是成功實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵。一般步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案如下：
方案1：采用分立元件組成平衡式H橋驅(qū)動(dòng)電路，可由單片機(jī)直接對(duì)其進(jìn)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(wèn)題和模塊固定問(wèn)題，安裝焊接復(fù)雜、調(diào)試費(fèi)時(shí)，故此方案不夠理想。
方案2：利用集成電路芯片組成H橋驅(qū)動(dòng)電路，避免了分立元件帶來(lái)的過(guò)重、體積過(guò)大問(wèn)題，調(diào)試方便。一般采用此方案較多。具體實(shí)現(xiàn)方案有以下幾種：
(1)采用單片L298N芯片組成驅(qū)動(dòng)電路[1]，由單片機(jī)產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸送至L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。此方案占用體積較小、自重較小，但占用單片機(jī)I/O口較多，加重了單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，不利于功能拓展。
(2)采用L298N+L297組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。利用L297芯片產(chǎn)生的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用半步（8拍）和全步(4拍)等方式驅(qū)動(dòng)單片機(jī)控制兩相雙極或四相單極步進(jìn)電機(jī)[2]。該芯片內(nèi)部的PWM斬波器允許在關(guān)模式下控制步進(jìn)電機(jī)繞組電流。只需要時(shí)鐘、方向和模式信號(hào)就能控制步進(jìn)電機(jī)，可減輕處理器和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。但占用體積較L298單芯片大。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，步進(jìn)電機(jī)在調(diào)整平板角度過(guò)程中引起的震動(dòng)較大，硬幣容易震落，無(wú)法達(dá)到既定要求。
(3)采用TB6560AHQ單芯片組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。與方案(2)L297+L298N相比，解決了步進(jìn)電機(jī)精細(xì)控制的問(wèn)題，具有整步、1/2細(xì)分、1/8細(xì)分、1/16細(xì)分運(yùn)行方式可供選擇。且內(nèi)置溫度保護(hù)及過(guò)流保護(hù)，外圍電路更為簡(jiǎn)單，集成度較高，能基本滿(mǎn)足控制要求，故本次設(shè)計(jì)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(jī)運(yùn)算得出水平線與平板之間的夾角θ。此方案對(duì)單片機(jī)運(yùn)算速度要求較高，但電路簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)穩(wěn)定。
2 理論分析與計(jì)算
2.1 平板狀態(tài)測(cè)量方法
設(shè)擺桿長(zhǎng)度=l；電機(jī)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(jīng)運(yùn)動(dòng)分析可得圖2所示幾何關(guān)系。
3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
TB6560AHQ單芯片步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。因電機(jī)采用24 V電壓，故本模塊采用光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)控制信號(hào)[4]，起電氣隔離作用，防止高壓對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)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(cè)
采用WDY-32E-1精密角度傳感器與擺桿相連，利用擺桿帶動(dòng)角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，引起角度傳感器內(nèi)可變電阻的變化，使得輸出端的電壓發(fā)生變化，經(jīng)單片機(jī)ADC端口讀入并計(jì)算得出角度變化量。圖7所示為角度傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。
3.3.2 激光與水平線夾角α的檢測(cè)
采用LSM303DLH三軸電子羅盤(pán)模塊，利用地磁場(chǎng)角度進(jìn)行夾角測(cè)算，采用I2C通信協(xié)議，與模塊單片機(jī)進(jìn)行通信，處理后輸出數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。
4 系統(tǒng)主要程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要由平板轉(zhuǎn)動(dòng)程序、平板調(diào)節(jié)防落程序、平板調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)主要采用重力加速度傳感器及線性電阻角度傳感器來(lái)檢測(cè)擺動(dòng)時(shí)平板及擺桿角度的變化，利用撥碼開(kāi)關(guān)可控制預(yù)設(shè)功能，單片機(jī)根據(jù)擺桿與重垂線之間的擺角計(jì)算出平板的旋轉(zhuǎn)方向及角度，從而控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)平板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的精確控制。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，該系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)既定目的，即硬幣在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中能在平板上保持穩(wěn)定疊放狀態(tài)以及平板上的激光筆能對(duì)靶紙上的預(yù)設(shè)位置進(jìn)行跟蹤照射。
參考文獻(xiàn)
[1] 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽制作實(shí)訓(xùn)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.
[2] 郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程—入門(mén)、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2009．
[3] 樓然苗.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社，2002．
[4] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)·模擬部分[M]．北京：高等教育出版社，2006．