黃軍友

摘 要： 為了利用電磁控制實(shí)現(xiàn)擺桿按指定角度和周期運(yùn)動(dòng)，采用STC89C52單片機(jī)為主控芯片，ADXL345數(shù)字式3軸角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)擺桿角度，自適應(yīng)算法算出擺桿擺動(dòng)所需的時(shí)間，L298N驅(qū)動(dòng)芯片在PWM脈沖信號(hào)控制下驅(qū)動(dòng)電磁鐵；LCD12864液晶顯示屏顯示預(yù)設(shè)參數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明，擺動(dòng)擺角絕對(duì)誤差≤1°，最大啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間≤9 s；最大停止響應(yīng)時(shí)間≤10 s。

關(guān)鍵詞： 電磁控制； 三軸角度傳感器； 周期檢測(cè)； 自適應(yīng)算法

中圖分類號(hào)： TN602?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）09?0121?04

0 引 言

電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置靠電磁力直接驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制線圈中電流的大小來(lái)控制電磁力的大小，帶動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)部份產(chǎn)生相應(yīng)的精密位移[1]。磁力的非接觸性可以達(dá)到很高的精度[2]。多維電磁驅(qū)動(dòng)裝置，能多自由度的運(yùn)動(dòng)，在半導(dǎo)體加工、顯微鏡掃描、微裝配和快速成型等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[3]。

1 方案設(shè)計(jì)與選擇

1.1 電磁鐵系統(tǒng)

方案一：采用兩個(gè)普通電磁鐵來(lái)推動(dòng)擺桿擺動(dòng)，選材簡(jiǎn)單成本低。兩個(gè)電磁鐵分別安放在距擺桿中心點(diǎn)5 cm的位置，并與擺桿擺動(dòng)的平面在同一直線上，保證擺桿受力均勻。當(dāng)擺桿擺過(guò)最低點(diǎn)時(shí)一個(gè)電磁鐵通正向電流，另一個(gè)通反向電流，使一個(gè)電磁鐵產(chǎn)生推力另一個(gè)產(chǎn)生吸引力來(lái)推動(dòng)擺桿擺動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是擺動(dòng)小角度時(shí)能精確控制。缺點(diǎn)是擺動(dòng)角度增大時(shí)，距離遠(yuǎn)時(shí)電磁鐵失去作用，無(wú)法控制。如圖1所示。

圖1 電磁系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖

方案二：采用一個(gè)電磁鐵放在擺桿最低點(diǎn)位置，當(dāng)擺桿擺過(guò)最低點(diǎn)時(shí)給它一個(gè)推力，控制電流的大小來(lái)控制推力的大小，實(shí)現(xiàn)角度的控制。優(yōu)點(diǎn)是只用一個(gè)電磁鐵，不會(huì)出現(xiàn)方案一中的失控狀態(tài)[4]。每次擺桿擺過(guò)最低點(diǎn)時(shí)就給它通一次反向電流，使之產(chǎn)生一個(gè)排斥力，推動(dòng)擺桿擺動(dòng)。缺點(diǎn)是電磁鐵本身具有鐵芯，當(dāng)擺桿擺到最低點(diǎn)時(shí)就會(huì)吸引住擺桿上的磁鐵，使得控制不準(zhǔn)確，擺動(dòng)角度誤差大。如圖1所示。

方案三：鑒于方案二中出現(xiàn)最低點(diǎn)失控的問(wèn)題，將電磁鐵中的鐵芯去掉，雖然磁力減小，但考慮到擺桿自身阻力較小，磁力足以推動(dòng)擺桿擺動(dòng)，也不會(huì)出現(xiàn)最低點(diǎn)失控的狀態(tài)。如圖1所示?；谝陨戏治觯捎梅桨溉?。

1.2 控制器模塊

STC12C5A60S2是單指令周期單片機(jī)，成本較低，運(yùn)行速度比普通51單片機(jī)快12倍，擁有超強(qiáng)的抗干擾能力[5]。由于運(yùn)行速度太快，傳感器的速度不易跟上，容易造成讀取數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)丟失。MSP430系列單片機(jī)，具有低功耗，速度快等優(yōu)勢(shì)，完全滿足設(shè)計(jì)要求，但成本較高，調(diào)試不便。STC89C52單片機(jī)成本低，具有32個(gè)I/O口，工作電壓為5 V，與傳感器工作電壓相同，電源選擇容易。系統(tǒng)單片機(jī)與角度傳感器的通信采用串口通信，程序設(shè)計(jì)方便[6]。基于以上分析，采用STC89C52。

1.3 電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊

設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊能夠驅(qū)動(dòng)大功率的電磁鐵。L298N模塊是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，其輸出電流增大，功率增強(qiáng)，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載[7]。輸入端與單片機(jī)直接相聯(lián)，方便地受單片機(jī)控制?？梢灾苯涌刂苾陕冯姶盆F和實(shí)現(xiàn)電磁鐵正反控制，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平[8]。L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，分立電路集成在單片IC中，外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高[9]。該芯片具有良好的抗干擾性。L9110驅(qū)動(dòng)大功率的電磁鐵上稍顯困難。本裝置設(shè)計(jì)所用的電磁鐵是大功率的，優(yōu)先選擇L298N。

1.4 顯示模塊

采用LED數(shù)碼管顯示，優(yōu)點(diǎn)是能夠高亮度地顯示數(shù)字信息，硬件成本低；缺點(diǎn)是占用單片機(jī)的接口太多，顯示信息量少，需要循環(huán)顯示，占用太多程序資源[10]。采用LCD1602顯示，占用單片機(jī)的接口較少，能夠顯示數(shù)學(xué)符號(hào)，且價(jià)格便宜，但顯示的信息量較少，不能夠顯示漢字字符。采用LCD12864顯示，能夠顯示漢字和一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)符號(hào)，除此之外能夠顯示多種信息，人機(jī)界面處理較好，故考慮選擇LCD12864。

1.5 角度的檢測(cè)

角度檢測(cè)模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，裝置需要用角度傳感器來(lái)測(cè)量擺桿與垂直方向之間的夾角[11]。電磁鐵驅(qū)動(dòng)擺桿時(shí)，擺桿會(huì)偏移原來(lái)的位置，與垂直方向有一個(gè)夾角，但這個(gè)夾角的偏移誤差需要控制在一定的范圍內(nèi)，因此要求角度傳感器的精度高，頻率快。AME?B001角度傳感器，0～360°測(cè)量范圍，安裝不方便，電壓輸出信號(hào)，采集不便。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)、分辨率高（13位），低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，能以極低的功耗進(jìn)行閥值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量[12]。SCA100T高精度雙軸傾角傳感器為數(shù)字SPI輸出模式，測(cè)量分辨率可達(dá)到0.000 3°，具有靈敏度極高，抗沖擊，抗震動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但采用該傳感器所需要的硬件電路相對(duì)復(fù)雜[13]。從成本控制和硬件復(fù)雜度上考慮，采用ADXL345。

1.6 PWM信號(hào)產(chǎn)生

單獨(dú)采用達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電磁鐵的電流，電路工作在飽和和截止模式下，效率高。H型PWM電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)電流方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度非?？?，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛使用的電路[14]。此方案中不需要用到復(fù)雜的電路，因此采用由單片機(jī)自帶的定時(shí)器提供脈沖的PWM脈沖調(diào)速，給單片機(jī)的定時(shí)器賦初值，使其產(chǎn)生一定周期的脈沖，不斷調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。此方法不需添加外圍電路，制作難度降低，在控制電磁鐵通斷和電流時(shí)較方便，符合系統(tǒng)方案的設(shè)置要求。

1.7 聲音提示

裝置中并不需要用到高級(jí)的語(yǔ)音芯片。采用蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)信息提示。蜂鳴器操作起來(lái)簡(jiǎn)單方便，本設(shè)計(jì)中，程序完成任務(wù)后，只需給單片機(jī)一個(gè)提示，不需要提示復(fù)雜的信息。

2 總體設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要由高精度角度傳感器檢測(cè)模塊、電磁控制裝置、單片機(jī)控制系統(tǒng)、按鍵模塊、LCD顯示模塊、聲音提示模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)采用高精度角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，將角度傳感器粘接在擺桿上，擺桿擺動(dòng)角度實(shí)時(shí)由角度傳感器檢測(cè)，當(dāng)角度由0°開(kāi)始到下一個(gè)0°時(shí)間即為半個(gè)擺動(dòng)周期時(shí)間。傳感器將角度值傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)角度值輸出PWM脈沖，控制電磁控制裝置，達(dá)到控制角度與周期的目的。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用高精度角度傳感器ADXL345實(shí)時(shí)檢測(cè)，其輸入電壓為5 V，輸出電壓對(duì)應(yīng)角度值，與角度值成正比，輸出精度為0.1%，滿足設(shè)計(jì)需要。當(dāng)單片機(jī)輸出的PWM波為0°時(shí)，角度自動(dòng)判斷角度并通過(guò)軟件設(shè)定為參考0°，具有自動(dòng)檢測(cè)調(diào)整零度值功能。單擺周期[T=]2×3.14×sqrt[（lg），]其中[l]為擺長(zhǎng)1 130 mm，[g]為重力加速度取值9.8。計(jì)算出擺桿自由擺動(dòng)時(shí)周期[T=]723 ms。在電磁控制裝置的控制下此周期可增加或減小。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

用復(fù)位電路、晶振電路、電源電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，外接12864液晶顯示器、電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊、角度傳感器模塊、按鍵模塊等，實(shí)現(xiàn)各功能。如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.2 電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊

以L298N為電磁鐵驅(qū)動(dòng)芯片，L298N的12個(gè)H橋下側(cè)橋晶體管的發(fā)射極連在一起，使能端ENA使能之后通過(guò)控制IN1，IN2，當(dāng)IN1為PWM信號(hào)，IN2為低電平時(shí)電磁鐵通過(guò)正向電流產(chǎn)生推力，推動(dòng)擺桿擺動(dòng)，反之產(chǎn)生吸引力，使擺桿停止。通過(guò)改變PWM的占空比改變流過(guò)電磁鐵的電流，控制推力的大小。角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)擺桿角度的變化，將信號(hào)傳遞給單片機(jī)由單片機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)PWM的占空比，從而改變擺桿的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)擺動(dòng)。如圖4所示。

4 軟件實(shí)現(xiàn)流程

系統(tǒng)是由幾個(gè)模塊相互組合而成，在軟件編程的時(shí)候，模塊分別編寫(xiě)，系統(tǒng)組裝完成后，再進(jìn)行模塊化編程，提高程序調(diào)試的效率。軟件實(shí)現(xiàn)的功能主要有：讀角度傳感器角度；給電磁裝置脈沖；PWM脈寬調(diào)制；聲音提示；輸入周期、轉(zhuǎn)角，實(shí)際周期、轉(zhuǎn)角顯示；匯總等。主程序流程、角度傳感器程序流程、 PWM信號(hào)控制程序流程如圖5所示。

圖4 電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊

圖5 程序流程

5 系統(tǒng)測(cè)試

采用KJ9205萬(wàn)用表、YB4320A示波器、SS33233雙路可跟蹤直流穩(wěn)壓電源、0～300 mm游標(biāo)卡尺，秒表等儀器（工具）進(jìn)行測(cè)試。角度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，周期測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 角度測(cè)試

[預(yù)設(shè)擺角

/（°）＼&實(shí)際擺角

/（°）＼&誤差

/（°）＼&啟動(dòng)響應(yīng)

時(shí)間 /s＼&停止響應(yīng)

時(shí)間 /s＼&10＼&11＼&1＼&5＼&9＼&15＼&16＼&1＼&5＼&6＼&20＼&19＼&1＼&4＼&10＼&25＼&24＼&1＼&8＼&6＼&30＼&29＼&1＼&8＼&7＼&35＼&34＼&1＼&7＼&7＼&40＼&41＼&1＼&9＼&8＼&45＼&44＼&1＼&9＼&9＼&]

表2 周期測(cè)試

[預(yù)設(shè)周期 /s＼&實(shí)際周期 /s＼&誤差 /s＼&啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間 /s＼&停止響應(yīng)時(shí)間 /s＼&0.6＼&0.6＼&0＼&5＼&9＼&]

由于存在機(jī)械摩擦阻力和電磁鐵在斷電時(shí)磁力不能馬上消退等原因，實(shí)際擺角和周期與預(yù)設(shè)的擺角和周期有一定的誤差。啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和停止響應(yīng)時(shí)間比較理想。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于STC89C52的電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置，外形尺寸長(zhǎng)寬高均不大于300 mm，擺桿支撐軸中心點(diǎn)到擺桿底端的長(zhǎng)度在100～150 mm范圍內(nèi)。達(dá)到如下功能：按下啟動(dòng)按鈕，由靜止點(diǎn)開(kāi)始，控制擺桿擺動(dòng)；由靜止點(diǎn)開(kāi)始，控制擺桿在10°～45°范圍內(nèi)擺角連續(xù)擺動(dòng)，擺動(dòng)擺角絕對(duì)誤差≤1°，響應(yīng)時(shí)間≤10 s；由靜止點(diǎn)開(kāi)始，按指定周期（0.5～2 s范圍內(nèi)）控制擺桿連續(xù)擺動(dòng)，擺動(dòng)周期絕對(duì)誤差值為0，響應(yīng)時(shí)間為5 s；在擺桿連續(xù)擺動(dòng)的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩(wěn)地停在靜止點(diǎn)上，停止時(shí)間為9 s；擺桿擺角幅度能在10°～45°范圍內(nèi)預(yù)置，預(yù)置步進(jìn)值為5°，擺角幅度絕對(duì)誤差值≤1°，響應(yīng)時(shí)間≤9 s；能進(jìn)行聲、光提示，但周期只能固定在0.6 s，預(yù)設(shè)周期功能還有待完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 李恒，朱煜，賈松濤，等.電磁式超精密微動(dòng)工作臺(tái)研究現(xiàn)狀與方向[J].現(xiàn)代機(jī)械，2007（2）：1?3.

[2] 邵傳龍.磁力軸承的模糊控制研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3] 黃曉燕，馮西安，高天德.基于CompactRIO的多通道陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2009（12）：17?19.

[4] 何用輝.復(fù)雜場(chǎng)地環(huán)境下機(jī)器人光電循跡系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（10）：46?50.

[5] 程志，肖繼學(xué)，李世璽.交流電力智能傳感器粗信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（4）：68?71.

[6] 江賢志，左傳友，劉華章.基于C8051F020單片機(jī)的實(shí)時(shí)測(cè)控裝置設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（2）：132?134.

[7] 張偉，陳迎，韓麗娜，等.智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（9）：53?57.

[8] 楊朋飛.微型介入機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其綜合性能實(shí)驗(yàn)分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[9] 王瑩.基于Atmega128的智能溫度采集機(jī)器人[J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用，2012（21）：214?216.

[10] 宋艷麗，宋武.基于單片機(jī)的智能數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（2）：99?102.

[11] 王建行，李莉莉，劉娟意.基于單擺的自動(dòng)平板控制系統(tǒng)[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（3）：270?274.

[12] 王波.基于FPGA的雙核導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[13] 趙偉，謝秀秀，宋茂忠.基于SCA100T的傾角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（10）：29?32.

[14] 蔣曉剛，徐守品，蔡華春.全自動(dòng)多片式液基薄層細(xì)胞涂片機(jī)中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2011（16）：101?103.

1.7 聲音提示

裝置中并不需要用到高級(jí)的語(yǔ)音芯片。采用蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)信息提示。蜂鳴器操作起來(lái)簡(jiǎn)單方便，本設(shè)計(jì)中，程序完成任務(wù)后，只需給單片機(jī)一個(gè)提示，不需要提示復(fù)雜的信息。

2 總體設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要由高精度角度傳感器檢測(cè)模塊、電磁控制裝置、單片機(jī)控制系統(tǒng)、按鍵模塊、LCD顯示模塊、聲音提示模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)采用高精度角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，將角度傳感器粘接在擺桿上，擺桿擺動(dòng)角度實(shí)時(shí)由角度傳感器檢測(cè)，當(dāng)角度由0°開(kāi)始到下一個(gè)0°時(shí)間即為半個(gè)擺動(dòng)周期時(shí)間。傳感器將角度值傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)角度值輸出PWM脈沖，控制電磁控制裝置，達(dá)到控制角度與周期的目的。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用高精度角度傳感器ADXL345實(shí)時(shí)檢測(cè)，其輸入電壓為5 V，輸出電壓對(duì)應(yīng)角度值，與角度值成正比，輸出精度為0.1%，滿足設(shè)計(jì)需要。當(dāng)單片機(jī)輸出的PWM波為0°時(shí)，角度自動(dòng)判斷角度并通過(guò)軟件設(shè)定為參考0°，具有自動(dòng)檢測(cè)調(diào)整零度值功能。單擺周期[T=]2×3.14×sqrt[（lg），]其中[l]為擺長(zhǎng)1 130 mm，[g]為重力加速度取值9.8。計(jì)算出擺桿自由擺動(dòng)時(shí)周期[T=]723 ms。在電磁控制裝置的控制下此周期可增加或減小。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

用復(fù)位電路、晶振電路、電源電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，外接12864液晶顯示器、電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊、角度傳感器模塊、按鍵模塊等，實(shí)現(xiàn)各功能。如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.2 電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊

以L298N為電磁鐵驅(qū)動(dòng)芯片，L298N的12個(gè)H橋下側(cè)橋晶體管的發(fā)射極連在一起，使能端ENA使能之后通過(guò)控制IN1，IN2，當(dāng)IN1為PWM信號(hào)，IN2為低電平時(shí)電磁鐵通過(guò)正向電流產(chǎn)生推力，推動(dòng)擺桿擺動(dòng)，反之產(chǎn)生吸引力，使擺桿停止。通過(guò)改變PWM的占空比改變流過(guò)電磁鐵的電流，控制推力的大小。角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)擺桿角度的變化，將信號(hào)傳遞給單片機(jī)由單片機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)PWM的占空比，從而改變擺桿的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)擺動(dòng)。如圖4所示。

4 軟件實(shí)現(xiàn)流程

系統(tǒng)是由幾個(gè)模塊相互組合而成，在軟件編程的時(shí)候，模塊分別編寫(xiě)，系統(tǒng)組裝完成后，再進(jìn)行模塊化編程，提高程序調(diào)試的效率。軟件實(shí)現(xiàn)的功能主要有：讀角度傳感器角度；給電磁裝置脈沖；PWM脈寬調(diào)制；聲音提示；輸入周期、轉(zhuǎn)角，實(shí)際周期、轉(zhuǎn)角顯示；匯總等。主程序流程、角度傳感器程序流程、 PWM信號(hào)控制程序流程如圖5所示。

圖4 電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊

圖5 程序流程

5 系統(tǒng)測(cè)試

采用KJ9205萬(wàn)用表、YB4320A示波器、SS33233雙路可跟蹤直流穩(wěn)壓電源、0～300 mm游標(biāo)卡尺，秒表等儀器（工具）進(jìn)行測(cè)試。角度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，周期測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 角度測(cè)試

[預(yù)設(shè)擺角

/（°）＼&實(shí)際擺角

/（°）＼&誤差

/（°）＼&啟動(dòng)響應(yīng)

時(shí)間 /s＼&停止響應(yīng)

時(shí)間 /s＼&10＼&11＼&1＼&5＼&9＼&15＼&16＼&1＼&5＼&6＼&20＼&19＼&1＼&4＼&10＼&25＼&24＼&1＼&8＼&6＼&30＼&29＼&1＼&8＼&7＼&35＼&34＼&1＼&7＼&7＼&40＼&41＼&1＼&9＼&8＼&45＼&44＼&1＼&9＼&9＼&]

表2 周期測(cè)試

[預(yù)設(shè)周期 /s＼&實(shí)際周期 /s＼&誤差 /s＼&啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間 /s＼&停止響應(yīng)時(shí)間 /s＼&0.6＼&0.6＼&0＼&5＼&9＼&]

由于存在機(jī)械摩擦阻力和電磁鐵在斷電時(shí)磁力不能馬上消退等原因，實(shí)際擺角和周期與預(yù)設(shè)的擺角和周期有一定的誤差。啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和停止響應(yīng)時(shí)間比較理想。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于STC89C52的電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置，外形尺寸長(zhǎng)寬高均不大于300 mm，擺桿支撐軸中心點(diǎn)到擺桿底端的長(zhǎng)度在100～150 mm范圍內(nèi)。達(dá)到如下功能：按下啟動(dòng)按鈕，由靜止點(diǎn)開(kāi)始，控制擺桿擺動(dòng)；由靜止點(diǎn)開(kāi)始，控制擺桿在10°～45°范圍內(nèi)擺角連續(xù)擺動(dòng)，擺動(dòng)擺角絕對(duì)誤差≤1°，響應(yīng)時(shí)間≤10 s；由靜止點(diǎn)開(kāi)始，按指定周期（0.5～2 s范圍內(nèi)）控制擺桿連續(xù)擺動(dòng)，擺動(dòng)周期絕對(duì)誤差值為0，響應(yīng)時(shí)間為5 s；在擺桿連續(xù)擺動(dòng)的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩(wěn)地停在靜止點(diǎn)上，停止時(shí)間為9 s；擺桿擺角幅度能在10°～45°范圍內(nèi)預(yù)置，預(yù)置步進(jìn)值為5°，擺角幅度絕對(duì)誤差值≤1°，響應(yīng)時(shí)間≤9 s；能進(jìn)行聲、光提示，但周期只能固定在0.6 s，預(yù)設(shè)周期功能還有待完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 李恒，朱煜，賈松濤，等.電磁式超精密微動(dòng)工作臺(tái)研究現(xiàn)狀與方向[J].現(xiàn)代機(jī)械，2007（2）：1?3.

[2] 邵傳龍.磁力軸承的模糊控制研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3] 黃曉燕，馮西安，高天德.基于CompactRIO的多通道陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2009（12）：17?19.

[4] 何用輝.復(fù)雜場(chǎng)地環(huán)境下機(jī)器人光電循跡系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（10）：46?50.

[5] 程志，肖繼學(xué)，李世璽.交流電力智能傳感器粗信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（4）：68?71.

[6] 江賢志，左傳友，劉華章.基于C8051F020單片機(jī)的實(shí)時(shí)測(cè)控裝置設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（2）：132?134.

[7] 張偉，陳迎，韓麗娜，等.智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（9）：53?57.

[8] 楊朋飛.微型介入機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其綜合性能實(shí)驗(yàn)分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[9] 王瑩.基于Atmega128的智能溫度采集機(jī)器人[J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用，2012（21）：214?216.

[10] 宋艷麗，宋武.基于單片機(jī)的智能數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（2）：99?102.

[11] 王建行，李莉莉，劉娟意.基于單擺的自動(dòng)平板控制系統(tǒng)[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（3）：270?274.

[12] 王波.基于FPGA的雙核導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[13] 趙偉，謝秀秀，宋茂忠.基于SCA100T的傾角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（10）：29?32.

[14] 蔣曉剛，徐守品，蔡華春.全自動(dòng)多片式液基薄層細(xì)胞涂片機(jī)中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2011（16）：101?103.

1.7 聲音提示

裝置中并不需要用到高級(jí)的語(yǔ)音芯片。采用蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)信息提示。蜂鳴器操作起來(lái)簡(jiǎn)單方便，本設(shè)計(jì)中，程序完成任務(wù)后，只需給單片機(jī)一個(gè)提示，不需要提示復(fù)雜的信息。

2 總體設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要由高精度角度傳感器檢測(cè)模塊、電磁控制裝置、單片機(jī)控制系統(tǒng)、按鍵模塊、LCD顯示模塊、聲音提示模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)采用高精度角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，將角度傳感器粘接在擺桿上，擺桿擺動(dòng)角度實(shí)時(shí)由角度傳感器檢測(cè)，當(dāng)角度由0°開(kāi)始到下一個(gè)0°時(shí)間即為半個(gè)擺動(dòng)周期時(shí)間。傳感器將角度值傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)角度值輸出PWM脈沖，控制電磁控制裝置，達(dá)到控制角度與周期的目的。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用高精度角度傳感器ADXL345實(shí)時(shí)檢測(cè)，其輸入電壓為5 V，輸出電壓對(duì)應(yīng)角度值，與角度值成正比，輸出精度為0.1%，滿足設(shè)計(jì)需要。當(dāng)單片機(jī)輸出的PWM波為0°時(shí)，角度自動(dòng)判斷角度并通過(guò)軟件設(shè)定為參考0°，具有自動(dòng)檢測(cè)調(diào)整零度值功能。單擺周期[T=]2×3.14×sqrt[（lg），]其中[l]為擺長(zhǎng)1 130 mm，[g]為重力加速度取值9.8。計(jì)算出擺桿自由擺動(dòng)時(shí)周期[T=]723 ms。在電磁控制裝置的控制下此周期可增加或減小。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

用復(fù)位電路、晶振電路、電源電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，外接12864液晶顯示器、電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊、角度傳感器模塊、按鍵模塊等，實(shí)現(xiàn)各功能。如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.2 電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊

以L298N為電磁鐵驅(qū)動(dòng)芯片，L298N的12個(gè)H橋下側(cè)橋晶體管的發(fā)射極連在一起，使能端ENA使能之后通過(guò)控制IN1，IN2，當(dāng)IN1為PWM信號(hào)，IN2為低電平時(shí)電磁鐵通過(guò)正向電流產(chǎn)生推力，推動(dòng)擺桿擺動(dòng)，反之產(chǎn)生吸引力，使擺桿停止。通過(guò)改變PWM的占空比改變流過(guò)電磁鐵的電流，控制推力的大小。角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)擺桿角度的變化，將信號(hào)傳遞給單片機(jī)由單片機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)PWM的占空比，從而改變擺桿的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)擺動(dòng)。如圖4所示。

4 軟件實(shí)現(xiàn)流程

系統(tǒng)是由幾個(gè)模塊相互組合而成，在軟件編程的時(shí)候，模塊分別編寫(xiě)，系統(tǒng)組裝完成后，再進(jìn)行模塊化編程，提高程序調(diào)試的效率。軟件實(shí)現(xiàn)的功能主要有：讀角度傳感器角度；給電磁裝置脈沖；PWM脈寬調(diào)制；聲音提示；輸入周期、轉(zhuǎn)角，實(shí)際周期、轉(zhuǎn)角顯示；匯總等。主程序流程、角度傳感器程序流程、 PWM信號(hào)控制程序流程如圖5所示。

圖4 電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊

圖5 程序流程

5 系統(tǒng)測(cè)試

采用KJ9205萬(wàn)用表、YB4320A示波器、SS33233雙路可跟蹤直流穩(wěn)壓電源、0～300 mm游標(biāo)卡尺，秒表等儀器（工具）進(jìn)行測(cè)試。角度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，周期測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 角度測(cè)試

[預(yù)設(shè)擺角

/（°）＼&實(shí)際擺角

/（°）＼&誤差

/（°）＼&啟動(dòng)響應(yīng)

時(shí)間 /s＼&停止響應(yīng)

時(shí)間 /s＼&10＼&11＼&1＼&5＼&9＼&15＼&16＼&1＼&5＼&6＼&20＼&19＼&1＼&4＼&10＼&25＼&24＼&1＼&8＼&6＼&30＼&29＼&1＼&8＼&7＼&35＼&34＼&1＼&7＼&7＼&40＼&41＼&1＼&9＼&8＼&45＼&44＼&1＼&9＼&9＼&]

表2 周期測(cè)試

[預(yù)設(shè)周期 /s＼&實(shí)際周期 /s＼&誤差 /s＼&啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間 /s＼&停止響應(yīng)時(shí)間 /s＼&0.6＼&0.6＼&0＼&5＼&9＼&]

由于存在機(jī)械摩擦阻力和電磁鐵在斷電時(shí)磁力不能馬上消退等原因，實(shí)際擺角和周期與預(yù)設(shè)的擺角和周期有一定的誤差。啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和停止響應(yīng)時(shí)間比較理想。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于STC89C52的電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置，外形尺寸長(zhǎng)寬高均不大于300 mm，擺桿支撐軸中心點(diǎn)到擺桿底端的長(zhǎng)度在100～150 mm范圍內(nèi)。達(dá)到如下功能：按下啟動(dòng)按鈕，由靜止點(diǎn)開(kāi)始，控制擺桿擺動(dòng)；由靜止點(diǎn)開(kāi)始，控制擺桿在10°～45°范圍內(nèi)擺角連續(xù)擺動(dòng)，擺動(dòng)擺角絕對(duì)誤差≤1°，響應(yīng)時(shí)間≤10 s；由靜止點(diǎn)開(kāi)始，按指定周期（0.5～2 s范圍內(nèi)）控制擺桿連續(xù)擺動(dòng)，擺動(dòng)周期絕對(duì)誤差值為0，響應(yīng)時(shí)間為5 s；在擺桿連續(xù)擺動(dòng)的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩(wěn)地停在靜止點(diǎn)上，停止時(shí)間為9 s；擺桿擺角幅度能在10°～45°范圍內(nèi)預(yù)置，預(yù)置步進(jìn)值為5°，擺角幅度絕對(duì)誤差值≤1°，響應(yīng)時(shí)間≤9 s；能進(jìn)行聲、光提示，但周期只能固定在0.6 s，預(yù)設(shè)周期功能還有待完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 李恒，朱煜，賈松濤，等.電磁式超精密微動(dòng)工作臺(tái)研究現(xiàn)狀與方向[J].現(xiàn)代機(jī)械，2007（2）：1?3.

[2] 邵傳龍.磁力軸承的模糊控制研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3] 黃曉燕，馮西安，高天德.基于CompactRIO的多通道陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2009（12）：17?19.

[4] 何用輝.復(fù)雜場(chǎng)地環(huán)境下機(jī)器人光電循跡系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（10）：46?50.

[5] 程志，肖繼學(xué)，李世璽.交流電力智能傳感器粗信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（4）：68?71.

[6] 江賢志，左傳友，劉華章.基于C8051F020單片機(jī)的實(shí)時(shí)測(cè)控裝置設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（2）：132?134.

[7] 張偉，陳迎，韓麗娜，等.智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（9）：53?57.

[8] 楊朋飛.微型介入機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其綜合性能實(shí)驗(yàn)分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[9] 王瑩.基于Atmega128的智能溫度采集機(jī)器人[J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用，2012（21）：214?216.

[10] 宋艷麗，宋武.基于單片機(jī)的智能數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（2）：99?102.

[11] 王建行，李莉莉，劉娟意.基于單擺的自動(dòng)平板控制系統(tǒng)[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（3）：270?274.

[12] 王波.基于FPGA的雙核導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[13] 趙偉，謝秀秀，宋茂忠.基于SCA100T的傾角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（10）：29?32.

[14] 蔣曉剛，徐守品，蔡華春.全自動(dòng)多片式液基薄層細(xì)胞涂片機(jī)中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2011（16）：101?103.