電磁控制運動裝置

1、摘 要本系統(tǒng)以單片機AT89S52為核心，調(diào)節(jié)直流電磁鐵供電電壓的大小，改變電磁鐵的磁場力的大小，利用電磁控制實現(xiàn)擺桿按指定的擺角和周期擺動。采用SCA100T角度傳感器來實現(xiàn)擺桿擺角信號的采集，用 AT89S52根據(jù)擺角值和周期輸出一定占空比的PWM脈沖波，用 L298N作為驅(qū)動電路，以達到控制擺角和周期的目的。本設計進行了硬件電路搭建和軟件編程，給出了系統(tǒng)方案、硬件電路圖和軟件流程圖，并通過軟件編程，實現(xiàn)了題目要求的技術指標，并用液晶顯示屏實時顯示擺桿擺角、擺動周期、設定角度和設定周期。關鍵詞： 擺角 周期 電磁控制 AT89S5223目錄1方案設計與論證11.1 角度采集方案1

2、1.2 驅(qū)動及控制方案21.3 系統(tǒng)總體方案22系統(tǒng)硬件電路設計32.1 單片機AT89S5232.2 L298N簡介32.3角度測量原理32.3.1角度測量原理32.3.2角度測量算法42.3.3角度測量電路52.4直流電磁鐵控制模塊52.4.1控制算法52.4.2控制電路62.5按鍵顯示72.6聲光提示73系統(tǒng)軟件設計73.1主程序流程圖73.2 角度測量子程序流程圖93.3角度控制子程序流程圖94系統(tǒng)測試94.1 測試儀器與方法94.2 角度測量104.3 測試結(jié)果分析105結(jié)論10參考文獻11附錄1 硬件電路圖12附錄2 主要元器件清單14附錄3 程序清單

3、151方案設計與論證本題目是設計并制作一個擺桿控制系統(tǒng)，通過電磁控制裝置，調(diào)節(jié)擺桿擺角的大小，如圖1.1所示。圖1.1 擺桿控制系統(tǒng)示意圖根據(jù)題目的要求，本系統(tǒng)所設計的核心問題主要有：1、對直流電磁鐵電壓大小進行快速而準確的控制，以保證擺桿的擺角和周期在控制范圍內(nèi)。2、為保證系統(tǒng)的精度要求，必須要對擺桿擺動角度進行實時檢測。3、為保證擺桿在盡可能短的時間內(nèi)達到預定角度還需要相應按鍵及顯示電路。我們分以下幾個部分進行方案設計和比較論證。1.1 轉(zhuǎn)角采集方案方案一：采用MMA7455L芯片。這是一種XYZ三軸微機電加速度計，可測量 X、Y、Z 三個方向上在工作時的參數(shù)，輸出為8位或10位

4、的數(shù)字量?？芍苯优c單片機連接。硬件電路簡單，但成本較高，軟件程序調(diào)試較困難。方案二：采用SCA100T-D02。SCA100T-D02測量范圍為-90°+90°，具有模擬和數(shù)字兩路輸出。模擬量輸出電壓為05V，不需信號調(diào)理電路就可送入A/D，擬采用模擬量輸出，后接AD7705。此方案硬件電路簡單，軟件調(diào)試簡單，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定。經(jīng)過比較，擬選擇方案二。1.2 驅(qū)動及控制方案 方案一：采用線性放大驅(qū)動方式。采用L298N作為驅(qū)動芯片。單片機輸出數(shù)字量，經(jīng)D/A后轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電壓值，控制電磁鐵電磁力的大小，來改變擺角的大小，此方式波動小，線性好，對鄰近電路干

5、擾小。但存在效率低和散熱等問題。硬件需要D/A轉(zhuǎn)換器，電路復雜，成本高。方案二：采用PWM調(diào)速。采用L298N作為驅(qū)動芯片。PWM調(diào)速是使加在直流電磁鐵兩端的電壓為方波形式,通過改變方波占空比實現(xiàn)對直流電磁鐵電壓大小的調(diào)節(jié)。PWM由單片機輸出。L298N芯片內(nèi)部開關為電子開關，速度很快，穩(wěn)定性也極強。此方案電路簡單，使用比較方便?；谏鲜隼碚摲治龊蛯嶋H情況，擬定選擇方案二。1.3 系統(tǒng)總體方案 圖1.2 擺桿控制系統(tǒng)總體方案框圖 根據(jù)上述分析，設計出系統(tǒng)總體方案，由SCA100T-D02采集轉(zhuǎn)角信息后送入AD7705轉(zhuǎn)換，輸出的8位數(shù)字量送入AT89C52中，單片機經(jīng)分析處理后輸出一

6、定占空比的PWM，經(jīng)L298N功率驅(qū)動放大后控制直流電磁鐵電壓的大小。同時可用按鍵設定擺桿轉(zhuǎn)角并顯示，擺桿控制系統(tǒng)總體方案框圖如圖1.2所示。2系統(tǒng)硬件電路設計硬件電路設計圖見附錄1。2.1 單片機AT89S52 本系統(tǒng)采用AT89S52作為核心部件。AT89S52內(nèi)部有8KB的存儲單元和256個RAM存儲單元，用于本系統(tǒng)的角度采集控制足夠使用。51單片機的外圍控制電路如圖2.1所示。 圖2.1 單片機最小系統(tǒng)2.2 L298N簡介 L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。可以方便的驅(qū)動兩個

7、直流電機，或一個兩相步進電機。L298N 芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的 IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。 L298N 可接受標準 TTL 邏輯電平信號 VSS，VSS 可接 457 V 電壓。4 腳 VS 接電源電壓，VS 電壓范圍 VIH 為2546 V。輸出電流可達2 A，可驅(qū)動電感性負載。1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298 可驅(qū)動 2 個電動機，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間可分別接電動機。2.3角度測量

8、角度測量使用了VTI 公司生產(chǎn)的硅基加速度傳感器SCA100T-D02,其主要性能指標:1) 雙軸向傾角測量:SCA100T 測量X-Y 方向；2) 測量范圍1.7g；3) 測量靈敏度1.2V/g；4)+5V 單電源供電,兩個比例電壓輸出(模擬),內(nèi)置11位AD 轉(zhuǎn)換器；5)兼容SPI 的數(shù)字輸出；6)通過SPI 接口,可以訪問內(nèi)部溫度傳感器。SCA100T為12腳表貼封裝,設計時要水平安裝芯片,并注意芯片上面箭頭所指方向為正方向。2.3.1角度測量原理角度測量采用傾角傳感器SCA100T-D02的傳感軸安裝為與擺桿在同一平面內(nèi)，采用雙軸測量值合成來計算傾斜角，在小傾角測量時，具有高分辨率和高

9、精度的特點。該傳感器的每個軸可以檢測090°度之間的傾角，所對應的輸出電壓為05。由于加速度傳感器在靜止放置時受到重力作用，因此會有1g 的重力加速度。利用這個性質(zhì)，通過測量重力加速度在加速度傳感器的X 軸和Y 軸上的分量，可以計算出其在垂直平面上的傾斜角度。如圖2.2所示，有， ，則即圖2.2 角度測量原理圖這樣，根據(jù)以上原理一個2軸加速度傳感器可以測量在X-Y 平面上的傾斜角度。這個公式就是本文中用來測量物體傾斜角度的基本原理。需要說明的是，這里利用的是物體在靜止時受到重力的性質(zhì)，如果物體同時也有運動加速度的話，那么這個公式將不再準確。所以必須為公式增加一個限制條件，即 （式2-

10、1）2.3.2角度測量算法本設計角度測量算法采用反三角函數(shù)算法。直接利用式2-1以上公式進行計算。具體步驟為：1）測量X、Y的加速度，。（對于數(shù)字輸出的加速度傳感器，直接通過I2C 或SPI 總線讀??；對于模擬輸出的加速度傳感器，需要通過ADC 進行采樣。）2）計算 ，如果這個平方和接近1g 的平方，那么說明這組采樣值是有效的，可以用來算；否則將該采樣值丟棄，重復第一步。3）利用有效的采樣值， 通過開平方和反正切函數(shù)等數(shù)學計算， 求出傾斜角度。4） 重復第一步。在第三步公式中：offset是在0°輸出的電壓值（電壓2.5V），Sensitivity是芯片靈敏度（SCA100T-D02

11、是2V）Vout是芯片輸出的模擬量。2.3.3角度測量電路 選用角度傳感器SCA100T-D02的模擬輸出，輸出范圍05v,故可直接接8位AD7705進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得出數(shù)字量送入單片機。SCA100T-D02與AD的連接如圖2.3所示：圖2.3 SCA100T-D02與AD連接2.4直流電磁鐵控制模塊直流電磁鐵控制采用高低電平控制，由單片機輸出。選用手制的直流電磁鐵，。驅(qū)動芯片選用L298N。2.4.1 直流電磁鐵控制電路直流電磁鐵為手制，單片機的輸出為TTL信號，電流小，所以要加驅(qū)動電路。選用的驅(qū)動芯片為L298N。直流電磁鐵控制電路圖如圖2.4所示。 2.5按鍵顯示本系統(tǒng)設計采用了LCD顯

12、示，顯示屏上可實時顯示測量角度和設定角度。按鍵共有4個，分別為啟動鍵、停止鍵、角度設定鍵、周期設定鍵。2.6 聲光提示本系統(tǒng)設計在帆板轉(zhuǎn)角為10°45°范圍內(nèi)，當擺桿穩(wěn)定運行20s發(fā)出聲、光提示，并在5s內(nèi)平穩(wěn)停在靜止點上示，以便進行測試。聲光提示電路圖如圖2.5所示。 圖2.4 直流電磁鐵控制電路圖圖2.5 聲光提示電路圖3系統(tǒng)軟件設計3.1主程序流程圖本系統(tǒng)軟件設計采用C51語言編程，以達到題目要求的控制精度和響應時間。主要完成轉(zhuǎn)角信號的采集、數(shù)字濾波、標度變換、顯示并通過采集信號調(diào)節(jié)電磁鐵的通斷時間來控制擺桿角度。其中，顯示模塊負責將角度傳感器檢測到的角度送到LCD進

13、行顯示；角度控制模塊負責根據(jù)按鍵的輸入信息調(diào)節(jié)電磁鐵通斷時間，控制擺桿偏轉(zhuǎn)。圖3.1 主程序流程圖由于本系統(tǒng)的主要任務是對角度實時監(jiān)控，所以在程序中將對角度的測量放在主程序中，設為查詢方式；對按鍵的處理設為中斷方式。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖3.1所示，按鍵中斷處理子程序如圖3.2所示。處理子程序1、2、3、4、5分別對應為PWM占空比加1子程序，PWM占空比減1子程序，設定值加1子程序，設定值減1子程序和轉(zhuǎn)角45°自動追蹤子程序。3.2 角度測量子程序流程圖角度測量子程序流程圖如圖3.3所示：3.3角度控制子程序流程圖單片機讀入設定值X和測量值Y后進行比較，調(diào)節(jié)占空比改變直流電壓調(diào)節(jié)

14、角度，控制擺桿偏轉(zhuǎn)。4系統(tǒng)測試基于本次設計題目的要求，本系統(tǒng)采用SCA100T-D02采集擺桿的轉(zhuǎn)角并通過LCD顯示，還可通過鍵盤預設轉(zhuǎn)角值，其分辨率可達到2°。 圖3.2 按鍵中斷處理子程序4.1 測試儀器與方法測試儀器：量角器1把、秒表1塊、直尺1把。測試方法：1、測試基本要求（1）、（2）項時，用量角器量出擺桿偏角并與LCD上顯示的角度值進行比較，看角度傳感器測得的角度是否準確。2、測試基本要求（3）項和發(fā)揮部分（1）、（2）項時，用量角器量出擺桿實際轉(zhuǎn)角并與LCD上顯示的角度值和按鍵設定的角度值進行比較，并用秒表記錄調(diào)節(jié)時間，評判其控制性能。 圖3.3角度測量子程序流程圖 圖

15、3.4角度控制子程序流程圖 4.2 角度測量（1）用手轉(zhuǎn)動擺桿其測量結(jié)果如表1所示：表1 角度測量數(shù)據(jù)比較（單位：度）實際角度01415163031404345顯示角度01314152729374142絕對誤差0-1-1-1-3-2-3-2-34.3 測試結(jié)果分析 通過測試結(jié)果可以看出，當擺桿角度從0°45°范圍變化時，當角度小于20°時，控制容易，誤差小，控制時間短。當角度接近45°時，控制時間也明顯增加，誤差也較大。當控制角度在30°45°時，控制時間也明顯增加，誤差也較大。5結(jié)論通過測試可知：本系統(tǒng)能較好的完成擺桿控制系統(tǒng)的要求

16、。具體完成工作如下：1、完成了基本要求的（1）、（2）、（3），11.5cm時測試范圍最大達到45度。 完成了發(fā)揮部分的（1）、（2）。2、采用LCD實時顯示角度，并能實時顯示設定值。3、設有自動追蹤設定值功能，當設定某一角度時，擺桿可以自動變化，以保證角度值的穩(wěn)定。4、系統(tǒng)在完成基本要求(1)時,分辨力可達1°, 絕對誤差小于5°，完成基本要求(3)時，調(diào)節(jié)時間優(yōu)于基本要求參考文獻1 谷云高等. 基于MMA7455的機器人姿態(tài)控制系統(tǒng)的研究J.制造業(yè)自動化，2010（8）：15-17, 46.2 張新強.點陣LCD驅(qū)動顯控原理與實踐M.北京:北京航空航天大學出版社,201

17、0.3 朱清.基于單片機控制的人機界面應用研究J.工業(yè)控制計算機, 2009, 22(12):5,74 孫汝建.基于SPI接口的雙軸SCAT100傾角傳感器及其應用方法J.儀器儀表用戶，2006(4)，69-71.5 王盛軍.基于SCA100T 和MCU數(shù)字傾角傳感器的設計與實現(xiàn)J.微計算機信息2010 (26):90-916 黃志偉等.全國大學生電子設計競賽訓練教程（修訂版）M.北京:電子工業(yè)出版社,2010.附錄1 硬件電路圖 附錄2 主要元器件清單表1 元件清單元器件名稱型號個數(shù)LCD 液 晶128641單 片 機AT89S521角度傳感器SCA100T-D021擺桿11.5cm1驅(qū) 動

18、器L298N1穩(wěn)壓電源YB1731A1開關電源5/12V1基準電源TL 4311A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD77051電解電容100uf2瓷片電容0.33uf1瓷片電容0.1uf6瓷片電容47uf1傳感器SCA100T-D021瓷片電容20pf1石英晶體振蕩器12MHZ1石英晶體振蕩器6MHZ1與非門74LS041電阻5.1K4電阻5604電阻4.7K3二極管IN58194蜂鳴器1散熱片1附錄3 程序清單#include <reg52.h>#include<math.h>#define dateport P0sbit BF=P07; sbit RS=P10; sbit RW=P

19、11; sbit E=P12; sbit PSB=P16; sbit in1=P20; sbit in2=P21;sbit enA=P22; sbit CS=P31;sbit SCLK=P27;sbit DOUT=P26;sbit DIN=P25;sbit start=P37;sbit T=P34;sbit A=P35;sbit AD7705_DRDY=P24;unsigned char code digit="0123456789"unsigned char code st="電磁控制運動裝置"unsigned char code string=&qu

20、ot;實際 設定"unsigned char code str="角度:" unsigned char code str0="周期:"unsigned char code stt="xxx" unsigned char MSB_Data,LSB_Data;unsigned int Data_read;unsigned int q=0;unsigned char jiaodu=5;unsigned char zhouqi=2;float data_a=0x0000;int t;void delayms(unsigned int

21、 a);void delayus (unsigned int a);void AD7705_Write_Reg(unsigned char aa);float AD7705_Read_Reg();void int_system();void ad7705_init();void date_out();void setjiao(void);void setzhou(void);/ÑÓʱ³ÌÐòvoid delayms(unsigned int a) unsigned int i,j;for (i=0;i<a;

22、i+)for (j=0;j<a;j+);void delayus (unsigned int a) while (a-);/void AD7705_Write_Reg(unsigned char aa) unsigned char f;DIN=1;CS=0; /CS=0SCLK=1; /CLK=1delayus(5); for(f=0;f<8;f+) SCLK=0;if (aa<<f)&0X80) delayus(5); DIN=1;else delayus(5);DIN=0;delayus(10);SCLK=1;delayus(10);delayus(10);

23、SCLK=1;CS = 1;DIN=1;/float AD7705_Read_Reg() int k;DIN=1;AD7705_Write_Reg(0X38);CS=0;SCLK=1; Data_read =0x0000;for (k=0;k<16;k+)delayus(10);Data_read= Data_read<<1;SCLK=0;delayus(10);if(DOUT=1) Data_read= Data_read|0X01;delayus(10);SCLK=1;SCLK=1;delayus(5);CS=1;DIN=1;return ( Data_read);/vo

24、id int_system()CS=1;SCLK=1;DIN=1;MSB_Data=0x00;LSB_Data=0x00;/AD7705void ad7705_init() CS=0;for(t=0;t<40;t+) SCLK =0;delayus(5);SCLK =1; AD7705_Write_Reg(0x20);AD7705_Write_Reg(0x08);AD7705_Write_Reg(0x10);AD7705_Write_Reg(0x46);delayus(10); /DATE OUTvoid date_out()data_a=AD7705_Read_Reg(); /void

25、 Check_Busy() RS=0;RW=1;E=1;dateport=0xff;while(dateport&0x80)=0x80);E=0;/void Write_Cmd(unsigned char Cmd)Check_Busy();RS=0;RW=0;E=1;dateport=Cmd;delayus(10);E=0;delayus(10);/void Write_Data(unsigned char Data)Check_Busy();RS=1;RW=0;E=1;dateport=Data;delayus(10);E=0;delayus(10);/void Init_ST792

26、0() delayms(40); PSB=1; delayms(1); RS=0; delayms(1); RS=1; delayms(10);Write_Cmd(0x30); delayus(100); Write_Cmd(0x30); delayus(40); Write_Cmd(0x0c); delayus(100); Write_Cmd(0x01); delayms(15); Write_Cmd(0x06); delayus(100); /void ClrScreen() Write_Cmd(0x01);delayms(15);/void display0(void)unsigned

27、char i;Write_Cmd(0x80);delayus(50);for(i=0;i<16;i+)Write_Data(sti);/void display1()float i,j;unsigned char h=0;date_out();j=(data_a*500)/65535;if (j<250)i=asin(250-j)/200)*57.3;elsei=asin(j-250)/200)*57.3;if (j>250)if (h>=10&&h<=30)h=h+3;else if(h>30&&h<=90)h=h+6

28、;if(j<250)if (h>10&&h<=30)h=h+1;else if(h>20&&h<90)h=h+3;if(h>95)h=0;elseh=h;h=i;Write_Cmd(0x8b); Write_Data(digith/100); Write_Data(digith%100/10); Write_Data(digith%10); delayus(10);void display2(void)/unsigned char i;Write_Cmd(0x92);delayus(50);for(i=0;i<10;i+)Write_Data(stringi);void display3(void)/unsigned char i;Write_Cmd(0x88);delayus(50);