基于AT89S52的簡易自由擺平衡控制系統(tǒng)

王關(guān)平 牛彩霞 高曉陽 孫 偉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省廣播電影電視局無線傳輸中心，甘肅 蘭州 730030)

1 引言

現(xiàn)代檢測與控制技術(shù)是一門集測量、控制及計算機等于一體的綜合技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、科研等各個方面。隨著現(xiàn)代科技的進步，傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)以及相關(guān)的檢測和儀表技術(shù)發(fā)生了很大變化，生產(chǎn)過程的控制也已逐步由常規(guī)控制發(fā)展為計算機控制，控制方向也由簡單的PID控制向先進控制、優(yōu)化控制方向發(fā)展，控制規(guī)模也從局部自動化向綜合自動化方向迅速發(fā)展[1]。

自由擺平衡控制系統(tǒng)由自由擺裝置、步進電機、平板以及控制裝置等模塊組成，該系統(tǒng)既是一種單自由度的典型機構(gòu)，又是一種集傳感器、數(shù)字控制、單片機應(yīng)用及伺服驅(qū)動為一體的綜合性裝置[2]。東南大學(xué)朱秀梅等可使擺桿推起至30°處釋放后，擺桿至少可以作5個周期以上的自由阻尼擺動，帶負載運行時，擺動角度范圍為-60°～+60°，運動過程中，平板保持在水平位置的誤差≥ ±3°，角度檢測的分辨能力為1°[3]。張明等[4]和羅名吉等[5]實現(xiàn)的自由擺裝置擺動角度較大，為-80°～+80°，但平板保持在水平位置的誤差也＞3°。

控制系統(tǒng)的簡單化、低成本化，角度控制誤差小及自由擺角的大幅度化是自由擺平衡控制系統(tǒng)研究發(fā)展的顯著趨勢[6-8]。為此，本研究基于AT89S52單片機，采用高精度環(huán)形電位器作為擺桿傾角傳感器，將自由擺擺桿的角位移實時轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他條件確定步進電機的轉(zhuǎn)動方向、速度等，從而通過步進電機驅(qū)動電路給四相步進電機提供驅(qū)動信號，并通過間歇性平板傾角檢測電路，對平板位置進行周期性修正，使自由擺擺動過程中末端平板持續(xù)保持在水平狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設(shè)計及分析

2.1 系統(tǒng)方案

本研究確定的自由擺平衡控制系統(tǒng)總體功能框圖如圖1所示，是由控制器、擺桿傾角檢測、平臺傾角檢測、步進電機驅(qū)動控制電路及顯示等幾大部分構(gòu)成的一個閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過擺桿傾角檢測電位器(即高精度環(huán)形電位器)獲得自由擺偏離平衡位置的角度，通過平板傾角檢測電路獲得平板偏離水平位置的角度;而后，控制器(即單片機AT89S52)根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)計算出電機應(yīng)該發(fā)生的轉(zhuǎn)動角度并發(fā)出控制信號，控制信號經(jīng)驅(qū)動電路使步進電機轉(zhuǎn)動，從而帶動平板運動，盡量維持平板在擺桿擺動過程中的水平狀態(tài);執(zhí)行元件選擇步進電機(42BYGHID439)，使用步進電機的原因包括:控制簡單，由于可接受數(shù)字脈沖輸入而變得易于與其他設(shè)備接口等;相應(yīng)的角度、擺桿擺動方向等信息則實時顯示在LCD128×64的液晶顯示器上。

2.2 擺桿與平板運動關(guān)系分析

由圖2所示的擺桿與平板運動關(guān)系幾何圖可以證明:擺桿偏離豎直位置的角度θ與平板應(yīng)該發(fā)生的偏離角度相等。因此，必須設(shè)置一個擺桿偏離平衡位置的傾角檢測傳感器，來得到步進電機應(yīng)該偏轉(zhuǎn)的角度值。

圖1 系統(tǒng)總體功能框圖

2.3 擺桿傾角的獲取分析(見圖3所示)

圖2 擺桿與平板運動關(guān)系

圖3 擺桿擺角檢測電位器電路

擺桿傾角的獲取可以高精度環(huán)形電位器代替專用的角度傳感器(誤差≤0.5%，價格低廉)。由于安裝時不一定能使電位器的滑動觸點正對電位器的中點處，因此，讓控制器記住參考點電U0的數(shù)值非常必要。我們定義擺桿處于平衡位置右側(cè)時擺角為正，擺桿處于平衡位置左側(cè)時擺角為負，擺桿處于平衡位置時擺角為0°。

其中，

θ—擺桿偏離平衡位置的角度，該值＜0°為左偏，＞0°為右偏，單位為度(°);

U—擺桿處于某一位置時擺角檢測電位器滑動觸點上的電壓值，單位為伏;

U0—參考點電壓，即θ=0°時的U之值，單位為伏;

U2—擺桿右擺至70°時的U之值，單位為伏;

U1—擺桿左擺至-70°時的U之值，單位為伏;

2.4 平板傾角的獲取分析(見圖4所示)

圖4 半環(huán)形光柵檢測器

平板傾角的獲取采用半環(huán)形光柵檢測器獲得。原因如下:①半圓形光柵檢測器與此處擺桿的擺動幅度與軌跡正好吻合;②光柵檢測器的輸出精度較高(應(yīng)用至此處換算后可達0.01°);③光柵檢測器的指針與光柵間的摩擦很小，對系統(tǒng)的影響可以忽略不計。不過，與擺桿傾角的獲取相似，系統(tǒng)也必須記住平板處于水平位置時的光柵檢測器角度輸出值Φ0。要申明的一點是:本研究中此處的半環(huán)形光柵檢測器主要用于擺桿擺動一周后對平板經(jīng)過平衡位置時進行水平度矯正，并非形成位置反饋。

3 測試及結(jié)論

我們共進行了定點和動態(tài)兩類測試，其中，以1枚和3枚硬幣進行了系統(tǒng)的動態(tài)適應(yīng)性測試，試驗結(jié)果表明，本研究設(shè)計的基于AT89S52的簡易自由擺平衡控制系統(tǒng)角度測量準確、控制穩(wěn)定性較好，適應(yīng)性較強，平板的水平控制誤差可以限定在1.8°以內(nèi)。但在自由擺擺角大于60度時，平臺控制穩(wěn)定性有有所降低，平臺出現(xiàn)顫振，這是今后應(yīng)該努力突破的方向。

[1]張志君，于海晨，宋彤.現(xiàn)代檢測與控制技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.1-3

[2]http://www.eepw.com.cn/event/action/nuedc2011/[2013/4/20]

[3]朱秀梅.基于Cortex-M3 ARM的自由擺平衡控制系統(tǒng)的研究[D].福州:東南大學(xué)，2010.

[4]張明，洪志和，于飛.2011年瑞薩杯2011全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽論文[R].2011.

[5]羅名吉，桑和西，吳建.2011年瑞薩杯2011全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽論文[R].2011.

[6]張茹，孫松林.嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.1-7

[7]吳秀芹，高國偉，李倩蕓，等.傾角傳感器自動標定系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(4):54-55

[8]李真，張玉兵，韓晶晶，等.基于自由擺的平板控制系統(tǒng)[J].傳感器世界，2012，(1):13-16