基于arm單片機(jī)的激光擺重控制

基于arm單片機(jī)的激光擺重控制

1.傳感器的選擇該系統(tǒng)要求電機(jī)準(zhǔn)確控制獨(dú)立于擺臂的傾斜角度，并根據(jù)配重的傾斜角度控制。因此，角位移動(dòng)器、加速度傳感器、星速跑動(dòng)電機(jī)、s3c2440王陽明相位測(cè)試模塊等模塊應(yīng)滿足標(biāo)題要求。然后，描述這些模塊的選擇。1.1誤差檢測(cè)方案二:角位移傳感器+機(jī)械安裝固定方案一:直線位移傳感器。根據(jù)三角形內(nèi)角及邊之間的相關(guān)定理,可以測(cè)量自由擺劃過的的長度計(jì)算出擺角的大小。直線位移傳感器的功能在于把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。有效行程75mm～1250mm,兩端均有4mm緩沖行程,精度0.05%～0.04%FS,允許極限運(yùn)動(dòng)速度為10m/s。然而自由擺為圓弧運(yùn)動(dòng)不易測(cè)出直線距離,而且位移傳感器機(jī)械安裝固定困難。方案二:角位移傳感器。該傳感器采用特殊形狀的轉(zhuǎn)子和線繞線圈,模擬線性可變差動(dòng)傳感器(LVDT)的線性位移,有較高的可靠性和性能,轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生線性輸出信號(hào)。此輸出信號(hào)的相位指示離開零位的位移方向。轉(zhuǎn)子的非接觸式電磁耦合使產(chǎn)品具有無限的分辨率,即絕對(duì)測(cè)量精度可達(dá)到零點(diǎn)幾度?？蓪⒔俏灰苽鞲衅鞯霓D(zhuǎn)子固定在自由擺的轉(zhuǎn)軸上,可以根據(jù)角位移傳感器返回的阻值測(cè)出自由擺擺動(dòng)的角度。角位移傳感器測(cè)量符合需求,機(jī)械安裝簡單,價(jià)格合適。綜合以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn),角位移傳感器可以準(zhǔn)確讀出擺桿擺過的角度,故選擇方案二。1.2直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)方案一:直流電機(jī)。直流電機(jī)是定義輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源,借助于換向器和電刷的作用,使直流電動(dòng)機(jī)電樞線圈中流過的電流,方向是交變的,從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變,確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn):調(diào)速性能好,調(diào)速范圍廣,易于平滑調(diào)節(jié)。啟動(dòng),制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、易于快速啟動(dòng)、停止。然而直流電機(jī)的缺點(diǎn)是不能精確的控制轉(zhuǎn)角。方案二:模擬舵機(jī)。模擬舵機(jī)在空載時(shí),沒有動(dòng)力被傳到舵機(jī)馬達(dá)。當(dāng)有信號(hào)輸入使舵機(jī)移動(dòng),或者舵機(jī)的搖臂受到外力的時(shí)候,舵機(jī)會(huì)作出反應(yīng),向舵機(jī)馬達(dá)傳動(dòng)動(dòng)力(電壓)。這種動(dòng)力實(shí)際上每秒傳遞50次,被調(diào)制成開/關(guān)脈沖的最大電壓,并產(chǎn)生小段小段的動(dòng)力。當(dāng)加大每一個(gè)脈沖的寬度的時(shí)候,如電子變速器的效能就會(huì)出現(xiàn),直到最大的動(dòng)力/電壓被傳送到馬達(dá),馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)使舵機(jī)搖臂指到一個(gè)新的位置。然后,當(dāng)舵機(jī)電位器告訴電子部分它已經(jīng)到達(dá)指定的位置,那么動(dòng)力脈沖就會(huì)減小脈沖寬度,并使馬達(dá)減速。直到?jīng)]有任何動(dòng)力輸入,馬達(dá)完全停止。模擬舵機(jī)的“缺點(diǎn)”是:當(dāng)給予一個(gè)短促的動(dòng)力脈沖,緊接著很長的停頓,并不能給馬達(dá)施加多少激勵(lì),使其轉(zhuǎn)動(dòng)。這意味著如果有一個(gè)比較小的控制動(dòng)作,舵機(jī)就會(huì)發(fā)送很小的初始脈沖到馬達(dá)。對(duì)于本題中所需求的微小角度則不適合用模擬舵機(jī)控制。方案三:行星減速步進(jìn)電機(jī)。行星減速機(jī)具有高剛性,高精度(單級(jí)可做到1分以內(nèi)),高傳動(dòng)效率(單級(jí)在97%-98%),高的扭矩/體積比,終身免維護(hù)等特點(diǎn)。因?yàn)檫@些特點(diǎn),行星減速機(jī)多數(shù)是安裝在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)上,用來降低轉(zhuǎn)速,提升扭矩,匹配慣量。綜合以上三種方案,選擇方案三。1.3自由擺臂的傾角傳感器方案一:傾角傳感器。傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測(cè)量,從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器,傾角傳感器還可以用來測(cè)量相對(duì)于水平面的傾角變化量。測(cè)量時(shí)可將傾角傳感器固定在自由擺臂上,這樣可以采集到自由擺擺動(dòng)的角度。但是考慮到自由擺自身擺動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生切向的加速度影響傾角傳感器的效果。方案二:加速度傳感器。ST公司的LIS3LV02DQ數(shù)字三軸加速度傳感器,提供+/-2g、+/-6g兩檔加速度量程,直接輸出數(shù)字值,靈敏度高達(dá)(1/1024)g,(1/16384)g。該加速計(jì)能夠同時(shí)測(cè)量沿三個(gè)軸(x,y,z)的傾斜和加速動(dòng)作,且噪聲級(jí)非常低,功耗小,對(duì)電池供電的便攜系統(tǒng)至關(guān)重要。由于本系統(tǒng)需精確控制平板保持水平狀態(tài),故選擇方案二中不受切向加速度影響的加速度傳感器。1.4兩組兩組調(diào)速、速度、主機(jī)及空間方案一:STC89C51單片機(jī)。51是目前使用較為廣泛的8位單片機(jī)。具有8位CPU·4kbytes程序存儲(chǔ)器(ROM)(52為8K),256bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)(52有384bytes的RAM),32條I/O口線、11條指令,大部分為單字節(jié)指令,編寫程序較為簡單。但是它的計(jì)算速度不高,精度較低,程序儲(chǔ)存空間及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間不夠大。方案二:S3C2440ARM單片機(jī)。ARM(AdvancedRISCMachines)處理器是Acorn計(jì)算機(jī)有限公司面向低預(yù)算市場設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì),但也配備16位指令集。一般來講比等價(jià)32位代碼節(jié)省達(dá)35%,卻能保留32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。它大量使用寄存器,大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成,指令執(zhí)行速度更快,能都滿足高精度的計(jì)算,同時(shí)具有很大的存儲(chǔ)空間綜合以上兩種方案,選擇方案二。2.系統(tǒng)理論的分析與計(jì)算2.1不同程序啟動(dòng)時(shí)通過角位移傳感器得到的是阻值,要定義某一個(gè)阻值為基準(zhǔn)及角度0°。為保證精度減小誤差,避免每次0°的阻值不同,每次程序啟動(dòng)時(shí)要采集0°的阻值。系統(tǒng)啟動(dòng)之前將擺桿豎直,然后啟動(dòng)程序采集0°阻值即可確定0°基準(zhǔn)。為保證平板與擺桿垂直,還要確定水平基準(zhǔn)。可以將加速度傳感器固定在平板上,系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),根據(jù)加速度傳感器返回的信息控制電機(jī)使平板水平,設(shè)定此為電機(jī)的基準(zhǔn)位置,確定電機(jī)基準(zhǔn),即可確定之后電機(jī)的步數(shù)。2.2旋轉(zhuǎn)3.5周的小誤差分析2.2.1周期開始的檢驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)精確的角度控制,可以控制在自由擺的每個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)平板轉(zhuǎn)動(dòng)一周。當(dāng)檢測(cè)到周期開始時(shí)平板開始轉(zhuǎn)動(dòng),在此次周期結(jié)束前轉(zhuǎn)動(dòng)一周,然后平板停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到周期結(jié)束時(shí)即下次周期開始時(shí),平板再次轉(zhuǎn)動(dòng)一周。如此重復(fù)3～5周即可實(shí)現(xiàn)題目要求。2.2.2減速步長和減速轉(zhuǎn)速經(jīng)計(jì)算1米長得自由擺周期約為2秒,即減速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間不得大于2秒,因此減速步進(jìn)電機(jī)的步長不能太小。然而為實(shí)現(xiàn)調(diào)整硬幣特別是激光筆時(shí)的精確控制,減速步進(jìn)電機(jī)的步長又不能太大。因此再選用減速步進(jìn)電機(jī)的同時(shí),要在最大轉(zhuǎn)速大于0.5r/s得同時(shí),步長要盡量小。我們選用減速比為13:1的減速步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)速在1r/s與2r/s之間。2.3確保計(jì)算不轉(zhuǎn)動(dòng)硬盤驅(qū)動(dòng)器2.3.1數(shù)學(xué)由簡單受力分析可知,平板與桿垂直時(shí),硬幣與平板的加速度相同,硬幣不會(huì)相對(duì)平板滑動(dòng)。2.3.2自由擺桿不垂直問題由數(shù)學(xué)計(jì)算可知,當(dāng)平板與自由擺垂直時(shí),硬幣與平板之間及硬幣與硬幣之間沒有相對(duì)滑動(dòng),此時(shí)硬幣不會(huì)滑落,只要控制平板與自由擺桿始終垂直即可。自由擺拉到一定角度放手時(shí),平板由出事時(shí)刻水平與自由擺桿夾角不為90°,逐漸轉(zhuǎn)到與擺桿垂直。此過程將由實(shí)驗(yàn)測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度,及轉(zhuǎn)速可能符合的函數(shù)曲線。達(dá)到垂直之后將電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖住,保持平始終與擺桿垂直。2.4調(diào)整激光筆的計(jì)算2.4.1數(shù)學(xué)α+θ即為電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)得角度。2.4.2處理器擺角補(bǔ)償由數(shù)學(xué)計(jì)算可以得到不同擺角電機(jī)對(duì)應(yīng)的要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。處理器根據(jù)角位移傳感器采集到的擺角計(jì)算電機(jī)需要轉(zhuǎn)到的角度。通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使平板轉(zhuǎn)動(dòng)盡量平滑,減小激光筆光斑的抖動(dòng),減小偏離中心線的距離。3.電路和建筑設(shè)計(jì)3.1電路設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體框圖見圖1。3.1.2電源的一些電路原理圖電源由兩個(gè)12V鋰電池組串聯(lián)組成,為整個(gè)系統(tǒng)提供12V及20V電壓,確保單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的正常穩(wěn)定工作。3.2程序設(shè)計(jì)程序流程圖:整平板穩(wěn)定硬幣子程序流程圖見圖2。光準(zhǔn)直子程序流程圖見圖3。4.測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案調(diào)試電機(jī)和液晶屏等各個(gè)模塊分別能正常工作,之后將各個(gè)模塊組裝在一起,燒入程序逐漸調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)正常工作。4.2硬件電路設(shè)計(jì)測(cè)試條件:檢查多次,仿真電路和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:數(shù)字萬用表,量角器,刻度尺。4.3測(cè)試結(jié)果和分析4.3.1測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)(1)平板圓周旋轉(zhuǎn)角度的絕對(duì)誤差,如表2所示。(2)激光筆光斑位置與中心線距,如表2所示。4.3.2自由擺擺系統(tǒng)誤差結(jié)果誤差分析:(1)自由擺轉(zhuǎn)動(dòng)由角位移采集數(shù)據(jù),經(jīng)處理器計(jì)算控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程需要消耗一定的時(shí)間。在這一定的時(shí)間之內(nèi)自由擺又轉(zhuǎn)動(dòng)了一定的角度。因此,電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)總是晚于自由擺當(dāng)時(shí)的角度產(chǎn)生誤差。(2)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)非無極轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度較小時(shí)無法剛好轉(zhuǎn)動(dòng)需要的角度產(chǎn)生誤差。(3)自由擺無法避免的阻尼和前后擺動(dòng)造成相應(yīng)的系統(tǒng)誤差。根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù),可以得出以下結(jié)論:(1)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)3周,平板可以隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)3周,擺桿擺一個(gè)周期,平板旋轉(zhuǎn)一周,偏差絕對(duì)值不大于45°。(2)自由擺擺動(dòng)時(shí)(θ在30o～45o間),平板中心的一枚1元硬幣(人民幣)在5個(gè)擺動(dòng)周期中不從平板上滑落,滑動(dòng)距離不大于1cm。(3)自由擺擺動(dòng)時(shí)(θ在45o～60o間)