電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置

1、摘 要本系統(tǒng)以單片機(jī)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(chǎng)力的大小，利用電磁控制實(shí)現(xiàn)擺桿按指定的擺角和周期擺動(dòng)。采用SCA100T角度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)擺桿擺角信號(hào)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(dòng)電路，以達(dá)到控制擺角和周期的目的。本設(shè)計(jì)進(jìn)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(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)了題目要求的技術(shù)指標(biāo)，并用液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示擺桿擺角、擺動(dòng)周期、設(shè)定角度和設(shè)定周期。關(guān)鍵詞： 擺角 周期 電磁控制 AT89S5223目錄1方案設(shè)計(jì)與論證11.1 角度采集方案1

2、1.2 驅(qū)動(dòng)及控制方案21.3 系統(tǒng)總體方案22系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)32.1 單片機(jī)AT89S5232.2 L298N簡(jiǎn)介32.3角度測(cè)量原理32.3.1角度測(cè)量原理32.3.2角度測(cè)量算法42.3.3角度測(cè)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(shè)計(jì)73.1主程序流程圖73.2 角度測(cè)量子程序流程圖93.3角度控制子程序流程圖94系統(tǒng)測(cè)試94.1 測(cè)試儀器與方法94.2 角度測(cè)量104.3 測(cè)試結(jié)果分析105結(jié)論10參考文獻(xiàn)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(shè)計(jì)與論證本題目是設(shè)計(jì)并制作一個(gè)擺桿控制系統(tǒng)，通過(guò)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(shè)計(jì)的核心問(wèn)題主要有：1、對(duì)直流電磁鐵電壓大小進(jìn)行快速而準(zhǔn)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(duì)擺桿擺動(dòng)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。3、為保證擺桿在盡可能短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定角度還需要相應(yīng)按鍵及顯示電路。我們分以下幾個(gè)部分進(jìn)行方案設(shè)計(jì)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(jī)電加速度計(jì)，可測(cè)量 X、Y、Z 三個(gè)方向上在工作時(shí)的參數(shù)，輸出為8位或10位

4、的數(shù)字量。可直接與單片機(jī)連接。硬件電路簡(jiǎn)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(cè)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(hào)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(jiǎn)單，軟件調(diào)試簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)比較，擬選擇方案二。1.2 驅(qū)動(dòng)及控制方案 方案一：采用線性放大驅(qū)動(dòng)方式。采用L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片。單片機(jī)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(lái)改變擺角的大小，此方式波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干

5、擾小。但存在效率低和散熱等問(wèn)題。硬件需要D/A轉(zhuǎn)換器，電路復(fù)雜，成本高。方案二：采用PWM調(diào)速。采用L298N作為驅(qū)動(dòng)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(guò)改變方波占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電磁鐵電壓大小的調(diào)節(jié)。PWM由單片機(jī)輸出。L298N芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)為電子開(kāi)關(guān)，速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)。此方案電路簡(jiǎn)單，使用比較方便?；谏鲜隼碚摲治龊蛯?shí)際情況，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(shè)計(jì)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(jī)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(dòng)放大后控制直流電磁鐵電壓的大小。同時(shí)可用按鍵設(shè)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(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)圖見(jiàn)附錄1。2.1 單片機(jī)AT89S52 本系統(tǒng)采用AT89S52作為核心部件。AT89S52內(nèi)部有8KB的存儲(chǔ)單元和256個(gè)RAM存儲(chǔ)單元，用于本系統(tǒng)的角度采集控制足夠使用。51單片機(jī)的外圍控制電路如圖2.1所示。 圖2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)2.2 L298N簡(jiǎn)介 L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是 15 腳 Multiwatt 封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)

7、直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N 芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。 L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) 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(dá)2 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。L298 可驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間可分別接電動(dòng)機(jī)。2.3角度測(cè)量

8、角度測(cè)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(biāo):1) 雙軸向傾角測(cè)量:SCA100T 測(cè)量X-Y 方向；2) 測(cè)量范圍1.7g；3) 測(cè)量靈敏度1.2V/g；4)+5V 單電源供電,兩個(gè)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(guò)SPI 接口,可以訪問(wèn)內(nèi)部溫度傳感器。SCA100T為12腳表貼封裝,設(shè)計(jì)時(shí)要水平安裝芯片,并注意芯片上面箭頭所指方向?yàn)檎较颉?.3.1角度測(cè)量原理角度測(cè)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(cè)量值合成來(lái)計(jì)算傾斜角，在小傾角測(cè)量時(shí)，具有高分辨率和高

9、精度的特點(diǎn)。該傳感器的每個(gè)軸可以檢測(cè)090°度之間的傾角，所對(duì)應(yīng)的輸出電壓為05。由于加速度傳感器在靜止放置時(shí)受到重力作用，因此會(huì)有1g 的重力加速度。利用這個(gè)性質(zhì)，通過(guò)測(cè)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(jì)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(cè)量原理圖這樣，根據(jù)以上原理一個(gè)2軸加速度傳感器可以測(cè)量在X-Y 平面上的傾斜角度。這個(gè)公式就是本文中用來(lái)測(cè)量物體傾斜角度的基本原理。需要說(shuō)明的是，這里利用的是物體在靜止時(shí)受到重力的性質(zhì)，如果物體同時(shí)也有運(yùn)動(dòng)加速度的話，那么這個(gè)公式將不再準(zhǔn)確。所以必須為公式增加一個(gè)限制條件，即 （式2-

10、1）2.3.2角度測(cè)量算法本設(shè)計(jì)角度測(cè)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(jìn)行計(jì)算。具體步驟為：1）測(cè)量X、Y的加速度，。（對(duì)于數(shù)字輸出的加速度傳感器，直接通過(guò)I2C 或SPI 總線讀??；對(duì)于模擬輸出的加速度傳感器，需要通過(guò)ADC 進(jìn)行采樣。）2）計(jì)算 ，如果這個(gè)平方和接近1g 的平方，那么說(shuō)明這組采樣值是有效的，可以用來(lái)算；否則將該采樣值丟棄，重復(fù)第一步。3）利用有效的采樣值， 通過(guò)開(kāi)平方和反正切函數(shù)等數(shù)學(xué)計(jì)算， 求出傾斜角度。4） 重復(fù)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(cè)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得出數(shù)字量送入單片機(jī)。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(jī)輸出。選用手制的直流電磁鐵，。驅(qū)動(dòng)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(jī)的輸出為T(mén)TL信號(hào)，電流小，所以要加驅(qū)動(dòng)電路。選用的驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)298N。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(shè)計(jì)采用了LCD顯

12、示，顯示屏上可實(shí)時(shí)顯示測(cè)量角度和設(shè)定角度。按鍵共有4個(gè)，分別為啟動(dòng)鍵、停止鍵、角度設(shè)定鍵、周期設(shè)定鍵。2.6 聲光提示本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在帆板轉(zhuǎn)角為10°45°范圍內(nèi)，當(dāng)擺桿穩(wěn)定運(yùn)行20s發(fā)出聲、光提示，并在5s內(nèi)平穩(wěn)停在靜止點(diǎn)上示，以便進(jìn)行測(cè)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(shè)計(jì)3.1主程序流程圖本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C51語(yǔ)言編程，以達(dá)到題目要求的控制精度和響應(yīng)時(shí)間。主要完成轉(zhuǎn)角信號(hào)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、顯示并通過(guò)采集信號(hào)調(diào)節(jié)電磁鐵的通斷時(shí)間來(lái)控制擺桿角度。其中，顯示模塊負(fù)責(zé)將角度傳感器檢測(cè)到的角度送到LCD進(jìn)

13、行顯示；角度控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù)按鍵的輸入信息調(diào)節(jié)電磁鐵通斷時(shí)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(wù)是對(duì)角度實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以在程序中將對(duì)角度的測(cè)量放在主程序中，設(shè)為查詢(xún)方式；對(duì)按鍵的處理設(shè)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(duì)應(yīng)為PWM占空比加1子程序，PWM占空比減1子程序，設(shè)定值加1子程序，設(shè)定值減1子程序和轉(zhuǎn)角45°自動(dòng)追蹤子程序。3.2 角度測(cè)量子程序流程圖角度測(cè)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(jī)讀入設(shè)定值X和測(cè)量值Y后進(jìn)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(cè)試基于本次設(shè)計(jì)題目的要求，本系統(tǒng)采用SCA100T-D02采集擺桿的轉(zhuǎn)角并通過(guò)LCD顯示，還可通過(guò)鍵盤(pán)預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)角值，其分辨率可達(dá)到2°。 圖3.2 按鍵中斷處理子程序4.1 測(cè)試儀器與方法測(cè)試儀器：量角器1把、秒表1塊、直尺1把。測(cè)試方法：1、測(cè)試基本要求（1）、（2）項(xiàng)時(shí)，用量角器量出擺桿偏角并與LCD上顯示的角度值進(jìn)行比較，看角度傳感器測(cè)得的角度是否準(zhǔn)確。2、測(cè)試基本要求（3）項(xiàng)和發(fā)揮部分（1）、（2）項(xiàng)時(shí)，用量角器量出擺桿實(shí)際轉(zhuǎn)角并與LCD上顯示的角度值和按鍵設(shè)定的角度值進(jìn)行比較，并用秒表記錄調(diào)節(jié)時(shí)間，評(píng)判其控制性能。 圖3.3角度測(cè)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(cè)量（1）用手轉(zhuǎn)動(dòng)擺桿其測(cè)量結(jié)果如表1所示：表1 角度測(cè)量數(shù)據(jù)比較（單位：度）實(shí)際角度01415163031404345顯示角度01314152729374142絕對(duì)誤差0-1-1-1-3-2-3-2-34.3 測(cè)試結(jié)果分析 通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)擺桿角度從0°45°范圍變化時(shí)，當(dāng)角度小于20°時(shí)，控制容易，誤差小，控制時(shí)間短。當(dāng)角度接近45°時(shí)，控制時(shí)間也明顯增加，誤差也較大。當(dāng)控制角度在30°45°時(shí)，控制時(shí)間也明顯增加，誤差也較大。5結(jié)論通過(guò)測(cè)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(shí)測(cè)試范圍最大達(dá)到45度。 完成了發(fā)揮部分的（1）、（2）。2、采用LCD實(shí)時(shí)顯示角度，并能實(shí)時(shí)顯示設(shè)定值。3、設(shè)有自動(dòng)追蹤設(shè)定值功能，當(dāng)設(shè)定某一角度時(shí)，擺桿可以自動(dòng)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(shí),分辨力可達(dá)1°, 絕對(duì)誤差小于5°，完成基本要求(3)時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間優(yōu)于基本要求參考文獻(xiàn)1 谷云高等. 基于MMA7455的機(jī)器人姿態(tài)控制系統(tǒng)的研究J.制造業(yè)自動(dòng)化，2010（8）：15-17, 46.2 張新強(qiáng).點(diǎn)陣LCD驅(qū)動(dòng)顯控原理與實(shí)踐M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,201

17、0.3 朱清.基于單片機(jī)控制的人機(jī)界面應(yīng)用研究J.工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 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(yīng)用方法J.儀器儀表用戶(hù)，2006(4)，69-71.5 王盛軍.基于SCA100T 和MCU數(shù)字傾角傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.微計(jì)算機(jī)信息2010 (26):90-916 黃志偉等.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)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(chēng)型號(hào)個(gè)數(shù)LCD 液 晶128641單 片 機(jī)AT89S521角度傳感器SCA100T-D021擺桿11.5cm1驅(qū) 動(dòng)

18、器L298N1穩(wěn)壓電源YB1731A1開(kāi)關(guān)電源5/12V1基準(zhǔn)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(mén)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(yùn)動(dòng)裝置"unsigned char code string=&qu

20、ot;實(shí)際 設(shè)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);