基于自由摆的平板控制系统 摘要:实现基于自由摆的平板控制
作者:admin 发布时间:2023-10-07 07:04:29 分类:随笔 浏览:123
摘 要:实现基于自由摆的平板控制系统的设计要求,以SPCE061A单片机为主控制器,以1‰精度单圈电位器为角度传感器,配以16位高精度模数转换器AD7705实现角度测量,采用步进电机做为执行机构,配以能16细分的TB6560为电机驱动芯片,实现0.1125?步进角,从而构成闭环控制系统。实验表明,系统完全达到了设计要求,还增加了多种创新功能。
关键词:SPCE061A;1‰精度电位器;AD7705;TB6560
中图分类号:U671 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2013)23-0008-021 系统设计方案框架
1.1 方案框架
1.1.1 主控制器的选择
采用SPCE061A单片机来实现,运算速度高,带语音功能,易于在线仿真调试。
1.1.2 传感器的选择
采用1‰精度单圈电位器WDD35D,将摆杆摆动转换为电位器转动,只要测量输出电压的变化即可确定角度。电位器有高线性度和基本无需反应时间即可跟踪摆杆的特点。
1.1.3 AD转换器的选择
采用16位模数转换器AD7705。分辨率为1/65 536,最小可识别电压为0.000038 V,最小可识别的角度为0.002?,精度可达系统要求。
1.1.4 电机的选择
由于步进电机可以进行精确角度控制,并能记住位置,自己构成闭环控制,可实现设计要求。
1.1.5 电机驱动的选择
常用步进电机步进角1.8?,为实现精确控制,需选用16细分驱动器。TB6560驱动芯片,可实现双向控制,且具有耐压40 VDC,电流3.5 A(峰值),多种细分可选(1/1、1/2、1/8、1/16)和衰减方式分段可调等优点。
1.1.6 其它电路选择
系统采用常用OCMJ4×8 C液晶显示,选择1*4行列式键盘,采用凌阳单片机自带语音功能。
1.2 系统设计
以SPCE061A凌阳单片机为主控制器,以1‰精度单圈电位器为角度传感器,配以16位高精度模数转换器AD7705实现角度测量,采用步进电机做为执行机构,配以能16细分的TB6560为电机驱动芯片,实现0.1125?步进角,从而构成自由摆控制系统,并增加了液晶显示和语音播报等功能。
1.3 结构框图
自由摆控制系统结构框图如图1所示。
2 理论分析与计算
2.1 摆杆角度的测量方法
如图2所示,经实际测量,摆杆在0?,90?,180?位置时,电位器电压值分别为U0、U1、U2。则摆杆与水平面的夹角为:a=180?×(U-U0)/(U3-U0)。其中U为AD转换得到的电压。
2.2 基本部分
2.2.1 基本部分1――平板跟随自由摆转动
如图2所示,假设摆杆的初始角度为?茁,则当平板由初始位置转到竖直位置时对应的步进电机转动90?。在执行程序时,时刻对电位器的输出电压做AD转换,进而转换成摆杆的角度,将两次测量的角度结果相减,从而求出步进电机应转动的角度。公式为Δ=90?×(a1-a2)/?茁,其中Δ为步进电机应转动的角度,a1、a2分别为两次测量的摆杆与水平面的夹角。
2.2.2 基本部分2――平板带硬币自由摆动
经测试,当平板与摆杆垂直时,摆杆摆动时硬币不会滑落。于是我们讨论后决定以下方案:放下摆杆后,在很短的时间内使摆杆与平板垂直,此后步进电机不再转动。如图2所示,步进电机8细分时步进角为0.225?,转动步数公式为:step=?茁/0.225?。
3.1 硬件电路设计
3.1.1 角度测量电路
电位器WDD35D的阻值改变引起电压的改变,通过AD7705进行AD采样转换,将转换后的电压输入单片机,单片机将电压值转换为角度值。
3.1.2 步进电机驱动电路
通过TH6560AHQ芯片驱动步进电机转动,进而控制平板的状态,使平板转动或保持角度状态。
3.2 软件设计与工作流程图
3.2.1 软件设计
软件实现的功能如下:平板随摆杆旋转3~5周子程序;平板带硬币自由摆动子程序;平板带激光笔指向中心线子程序(摆杆静止);平板带激光笔指向中心线子程序(摆杆自由摆动)等。
3.2.2 部分工作流程图
系统部分流程图如图4、图5所示。
4 测试方案与测试结果
4.1 测试仪器
4位半数值万用表胜利VC9807+、量角器、秒表。
4.2 基本部分功能测试
基本部分功能包括:实现了摆杆摆动一个周期,平板旋转一周的功能;在摆角为30?~45?时,实现了一枚硬币在5个摆动周期内不从平板滑落的功能;在摆角为45?~60?时,实现了八枚硬币在5个摆动周期内不从平板滑落的功能。
4.3 其他功能测试
其它功能测试结果如表1、表2所示。
4.4 创新部分功能测试
在本次设计中,出了完成题目要求外,还完成了一些创新功能:平板随摆杆旋转12周而角度偏差
①平板随摆杆旋转12周而角度偏差
②平板带12枚硬币自由摆动实验测试如表4所示。
③语音提示功能测试。在每次旋转实验中,平板转到设定位置有语音提示。语音功能测试成功。
④液晶实时显示摆杆角度。实验中,当摆杆自由摆动时,LCD实时显示出摆杆的摆角。显示功能测试成功。
5 结 语
通过测试,系统完全达到了设计要求,不但完成了基本要求发挥部分的功能,并增加了多个创新功能,如基本部分平板跟踪自由摆转动达12圈,平板上放置12枚硬币80?角时实现自由摆动不掉落,语音提醒等功能。
参考文献:
[1] 李晓白.凌阳16位单片机C语言开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
[2] 薛钧义.凌阳十六位单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
标签:平板
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